Lasern anses vara en av de största uppfinningarna på 1900-talet. Med slutet av tre industriella revolutioner kommer lasern att vara nyckeln till att leda den fjärde industriella revolutionen. Framväxten av laser har i hög grad främjat utvecklingen av branschen. Lasern har blivit det mest avancerade och mest använda medlet vid bearbetning på grund av dess fördelar som hög effekt, lätt fokus, hög ljusstyrka och god riktningsförmåga. Laserbehandling har fördelarna med hög precision, hög hastighet och låg kostnad. Den kan styras automatiskt av datorprogrammering. Det kan bearbeta strukturen med en komplex form. Eftersom det är beröringsfritt- kommer det inte att skada materialet och är säkert och pålitligt.
Klassificering och egenskaper för laserbehandling
Beroende på mekanismen för interaktion mellan laser och materia kan laserbehandling delas in i två kategorier: termisk laserbehandling och icke-termisk behandling. De typer av laser som används vid termisk behandling och icke-termisk behandling är olika. Den långa-pulslasern eller den kontinuerliga lasern används vanligtvis i termisk bearbetning, och den ultrakorta pulslasern som picosecond och femtosecond används vanligtvis i icke-termisk bearbetning.
Den ultrasnabba grenen av denna familj förklaras ytterligare i vår artikel omultrasnabb laserbehandlingsteknik.
Termisk laserbehandling använder den termiska effekten som produceras i processen för laserbestrålning av material. Det molekylära systemet i de bestrålade materialen behöver hela tiden få energi från laserstrålningen och omvandla den till sin egen inre energi. Temperaturen på det bestrålade området stiger kraftigt för att uppnå smältpunkten och kokpunkten för material, smältning och avlägsnande, och uppnå syftet med bearbetningen. Eftersom det tar lång tid för laserns energi att omvandlas till den inre energin i molekylsystemet, används ofta långpulslaser vid termisk bearbetning. Denna bearbetningsmetod är enkel och direkt och har använts i stor utsträckning inom industriell tillverkning, såsom laserskärning, lasertillverkning, etc. Men på grund av den oundvikliga termiska diffusionen i bearbetningen är noggrannheten och grovheten hos termisk laserbehandling begränsad.
Icke-termisk bearbetning är att använda de icke-linjära effekterna (såsom icke-linjär jonisering, ytspridning, etc.) som orsakas av störningen av det elektroniska systemet av material, genom övergången och joniseringen av elektronabsorptionsfotonerna, de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos material induceras att förändras, vilket leder till generering av{-novel laser,}fotonpolymerisation själv-montering, etc.), med hjälp av dessa nya effekter för att uppnå ökningen Syftet med bearbetningsnoggrannhet och optimering. Eftersom energiutbytet mellan elektronsystemet och lasern kan slutföras på ett ögonblick använder den icke-termiska behandlingen vanligtvis en ultrakort pulslaser. Denna metod har hög precision och olika bearbetningsmetoder, vilket är en av forskningens hotspots inom området laserbearbetning.
Fördelar och nackdelar med traditionell femtosekund laserbehandling
Ultra-hög toppeffekt och ultrakort pulslängd är två huvudsakliga fördelar med femtosekundlaser. Den ultra-höga toppeffekten räcker för att framkalla en mängd olika olinjära effekter, vilket berikar laserbearbetningsmetoderna. De ultra-snabba tidsegenskaperna gör också interaktionsprocessen mellan femtosekundlaser och material mycket kort. Ljusenergin som absorberas av laserbestrålningsområdet kan inte ens överföras till andra områden, för att säkerställa att laserenergin kan deponeras exakt i bestrålningsområdet och realisera ultra-fin bearbetning.
Gå ett steg kortare än femtosekunder, lär digarbetsprincip för attosecond pulsed laser.
För närvarande har femtosekundlasern använts i stor utsträckning inom området för mikro- och nanobearbetning, främst inklusive laser direktskrivande och lasermask. På grund av diffraktionsgränsen för bearbetningssystemet är det emellertid omöjligt att reducera laserbestrålningsarean utan begränsning, vilket begränsar den ytterligare förbättringen av bearbetningsnoggrannheten. Samtidigt, på grund av de olika olinjära egenskaperna hos olika material, har femtosekundlaserbehandling ett starkt materialberoende. Samma bearbetningsmetod visar ofta olika bearbetningseffekter för olika material.
Fördelar med ultraviolett femtosekund laserbehandling
Med utvecklingen av modern industri ökar kravet på bearbetningsnoggrannhet, och en av huvudfaktorerna som påverkar laserbearbetningsnoggrannheten är diffraktionsgränsen för bearbetningssystemet. Diffraktionsgränsen är en fysisk parameter som beskriver avbildnings- eller bearbetningsnoggrannheten hos ett optiskt system. Ju mindre diffraktionsgränsen är, desto högre är bearbetningsnoggrannheten. I allmänhet är diffraktionsgränsen direkt proportionell mot våglängden för det infallande ljuset, så att reducera laservåglängden blir det mest direkta och effektiva sättet att förbättra diffraktionsgränsen. Till exempel är UV-litografitekniken som används allmänt i den nuvarande industrin för att förbättra bearbetningsnoggrannheten genom att minska laservåglängden.
UV-laser hänvisar till lasern vars våglängd är mindre än 380nm. Jämfört med den våglängd som vanligtvis används av femtosekundlaser (främst i det synliga ljusbandet, 380nm-760nm), är bearbetningsnoggrannheten för UV-femtosekundlasern högre. Samtidigt, på grund av den korta våglängden hos den ultravioletta femtosekundlasern och den stora energin hos en enda foton, kan fotoner direkt skära av bindningsbindningarna av molekyler eller atomer, vilket i huvudsak är en fotokemisk reaktion, i princip utan smältfenomen, vilket begränsar inverkan av termisk effekt. Å andra sidan är UV-bandet det känsliga bandet för många polymerer, såsom fotoresister. Dessa polymerer kommer att producera en två-foton polymerisationseffekt under bestrålning av ultraviolett femtosekundlaser, vilket gör att den strömmande kolloiden polymeriserar till ett fast ämne med hög mekanisk styrka. Efter bearbetning kommer fotoresisten att tvättas bort och den önskade strukturen kan erhållas. Genom att använda denna princip kan superfin 3D-strukturbearbetning utföras.
För de praktiska konsekvenserna av att välja det ena framför det andra, jämförskillnaden mellan UV och infraröd laser.
Egenskaper och fördelar med femtosekundbearbetning i vektor- och virvelfält
Den traditionella femtosekundlaserbehandlingen fokuserar huvudsakligen på laserns energiegenskaper. Materialens olinjära effekt induceras av femtosekundlaserfältets ultra-höga-energi för att uppnå syftet med bearbetningen. I processen för växelverkan mellan ljus och materia sker inte bara absorption av energi utan också utbyte av momentum, vilket gör att det nya laserläget kan ge fullt ut spel åt sina fördelar inom femtosekundsbehandling.
Vektorfältet och virvelfältet är två av de mest typiska nya laserlägena. Deras rumsliga topologiska egenskaper polarisation och fas gör att fältet har några speciella fysikaliska egenskaper. Till exempel kan vektorfältet konvergera till fokalpunkten bortom diffraktionsgränsen, som är mindre i storlek, så bearbetningsnoggrannheten är högre. Å andra sidan kan fotonens vinkelmoment som bärs av själva fältet byta momentum med materien. Till exempel bär virvelljusfältet med spiralfasstruktur fotonens orbitala vinkelmoment, som driver partiklarna att rotera runt den fasta axeln; vänster-eller högerhänt-cirkulärt polariserat ljus bär fotonspinnets vinkelmoment, vilket kan få partiklarna att rotera; vektorljusfältet vars polarisationstillstånd ändras med den rumsliga positionen kan visa interaktionen mellan rörelsemängden. På samma sätt kan momentumegenskaperna för vektor- och virvelfält också användas vid femtosekundlaserbehandling, såsom användning av virvelfält för att inducera kirala strukturer, användning av vektorfält för att inducera komplexa mönster och så vidare.
Jämfört med den traditionella femtosekundlaserbearbetningen gör femtosekundlaserbearbetningen av vektor- och virvelfältet som produceras av det ultravioletta lasersystemet med hög -effekt med kontrollerbara rums-tidsegenskaper bearbetningsstrukturen diversifierad och komplicerad. Genom att designa ljusfältets fas- och polarisationsfördelning kan vi få en mängd olika ytmönster och till och med komplex tre-dimensionell topologi. Att använda femtosekundlaserpulsformningsteknologi kombinerat med rymd-tidsljusmoduleringsteknik och rymd-tidsfokuseringsteknik för att modulera den ultrasnabba laserpulsen i tidsdomänen och frekvensdomänen, och realisera den tre-dimensionella mikro-nanobearbetningen och praktisk tillämpning i olika material. Dessa tekniker förväntas spela en viktig roll i ny integrerad optik och mikronano{10}}optik.
Fördelar och potentiella tillämpningar av ultravioletta, vektor och vortex femtosekund ljusfält
Med den kontinuerliga utvecklingen av branschen kan den traditionella femtosekundlaserbehandlingstekniken inte möta den växande industriella efterfrågan, så den måste utvecklas och optimeras. UV femtosekund laserbehandlingsteknik är ett effektivt sätt att förbättra bearbetningsnoggrannheten och har stort tillämpningsvärde inom industriell tillverkning. Femtosekundlaserbearbetningstekniken för vektor- och virvelfält har förändrat det traditionella enkelbearbetningsläget, vilket gör laserbearbetningen mer flexibel och mångsidig. Dessutom är UV-vektor- och virvelfemtosekundlaserbehandlingsteknologi också praktiken och verifieringen av teorin om interaktionen mellan ljus och materia, vilket är till hjälp för att avslöja den djupare fysiska mekanismen och har positiv vetenskaplig betydelse.