Laser jest uważany za jeden z największych wynalazków 20 wieku. Po zakończeniu trzech rewolucji przemysłowych laser będzie kluczem do przeprowadzenia czwartej rewolucji przemysłowej. Pojawienie się lasera znacznie przyczyniło się do rozwoju branży. Laser stał się najbardziej zaawansowanym i szeroko stosowanym środkiem w obróbce ze względu na takie zalety, jak duża moc, łatwe ustawianie ostrości, wysoka jasność i dobra kierunkowość. Obróbka laserowa ma zalety wysokiej precyzji, wysokiej prędkości i niskich kosztów. Może być automatycznie kontrolowany przez programowanie komputerowe. Może przetwarzać strukturę o złożonym kształcie. Ponieważ jest to przetwarzanie bezkontaktowe, nie uszkodzi materiału i jest bezpieczne i niezawodne.
Klasyfikacja i charakterystyka obróbki laserowej
Zgodnie z mechanizmem interakcji między laserem a materią obróbkę laserową można podzielić na dwie kategorie: obróbkę termiczną laserową i obróbkę nietermiczną. Rodzaje laserów stosowanych w obróbce termicznej i nietermicznej są różne. Laser o długim impulsie lub laser ciągły jest zwykle stosowany w obróbce termicznej, a ultrakrótki laser pulsacyjny, taki jak pikosekunda i femtosekunda, jest zwykle stosowany w obróbce nietermicznej.
Laserowa obróbka termiczna wykorzystuje efekt cieplny powstały w procesie laserowego napromieniowania materiałów. Układ molekularny napromieniowanych materiałów musi stale pozyskiwać energię z napromieniowania laserowego i przekształcać ją we własną energię wewnętrzną. Temperatura naświetlanego obszaru gwałtownie wzrasta, aby osiągnąć temperaturę topnienia i wrzenia materiałów, topienia i usuwania oraz osiągnąć cel przetwarzania. Ponieważ przekształcenie energii lasera w energię wewnętrzną układu molekularnego zajmuje dużo czasu, laser długiego impulsu jest często stosowany w obróbce termicznej. Ta metoda przetwarzania jest prosta i bezpośrednia i jest szeroko stosowana w produkcji przemysłowej, takiej jak cięcie laserowe, wytwarzanie dodatków laserowych itp. Jednak ze względu na nieuniknioną dyfuzję termiczną w przetwarzaniu dokładność i szorstkość laserowej obróbki termicznej są ograniczone.
Przetwarzanie nietermiczne polega na wykorzystaniu efektów nieliniowych (takich jak jonizacja nieliniowa, rozpraszanie powierzchni itp.) Spowodowanych zaburzeniem elektronicznego układu materiałów, poprzez przejście i jonizację fotonów absorpcyjnych elektronów, właściwości fizyczne i chemiczne materiały są indukowane do zmiany, co prowadzi do generowania pewnych nowych efektów (takich jak polimeryzacja dwufotonowa, samoorganizacja laserowa itp.), wykorzystując te nowatorskie efekty do osiągnięcia wzrostu Cel dokładności i optymalizacji obróbki. Ponieważ wymiana energii między układem elektronowym a laserem może zostać zakończona w jednej chwili, obróbka nietermiczna zwykle wykorzystuje ultrakrótki laser impulsowy. Ta metoda ma wysoką precyzję i różne metody przetwarzania, co jest jednym z hotspotów badawczych w dziedzinie obróbki laserowej.
Zalety i wady tradycyjnego laserowego przetwarzania femtosekundowego
Ultra wysoka moc szczytowa i ultra krótki czas trwania impulsu to dwie główne zalety lasera femtosekundowego. Ultra wysoka moc szczytowa wystarcza do wywołania różnych efektów nieliniowych, co wzbogaca metody obróbki laserowej. Ultraszybka charakterystyka czasowa sprawia, że proces interakcji między laserem femtosekundowym a materiałami jest bardzo krótki. Energia światła pochłonięta przez obszar napromieniowania laserowego nie może nawet zostać przeniesiona do innych obszarów, aby zapewnić, że energia lasera może być dokładnie osadzona w zakresie napromieniowania i zrealizować bardzo dokładne przetwarzanie.
Obecnie laser femtosekundowy jest szeroko stosowany w dziedzinie mikro- i nanoprzetwarzania, w tym głównie bezpośredniego zapisu laserowego i maski laserowej. Jednak ze względu na granicę dyfrakcji systemu obróbkowego nie jest możliwe ograniczenie obszaru napromieniowania laserowego bez ograniczeń, co ogranicza dalszą poprawę dokładności obróbki. Jednocześnie, ze względu na różne nieliniowe właściwości różnych materiałów, obróbka laserowa femtosekundowa jest silnie uzależniona od materiałów. Ta sama metoda przetwarzania często wykazuje różne efekty przetwarzania dla różnych materiałów.
Zalety ultrafioletowego przetwarzania laserem femtosekundowym
Wraz z rozwojem nowoczesnego przemysłu wzrasta wymagania dotyczące dokładności obróbki, a jednym z głównych czynników wpływających na dokładność obróbki laserowej jest granica dyfrakcji systemu obróbki. Granica dyfrakcji jest fizycznym parametrem opisującym dokładność obrazowania lub przetwarzania układu optycznego. Im mniejsza jest granica dyfrakcji, tym wyższa jest dokładność przetwarzania. Zasadniczo granica dyfrakcji jest wprost proporcjonalna do długości fali padającego światła, więc zmniejszenie długości fali lasera staje się najbardziej bezpośrednim i skutecznym sposobem poprawy granicy dyfrakcji. Na przykład technologia litografii UV szeroko stosowana w obecnym przemyśle ma na celu poprawę dokładności przetwarzania poprzez zmniejszenie długości fali lasera.
Laser UV odnosi się do lasera, którego długość fali jest mniejsza niż 380 nm. W porównaniu z długością fali powszechnie stosowaną przez laser femtosekundowy (głównie w paśmie światła widzialnego, 380 nm-760 nm), dokładność przetwarzania lasera femtosekundowego UV jest wyższa. Jednocześnie, ze względu na krótką długość fali ultrafioletowego lasera femtosekundowego i dużą energię pojedynczego fotonu, fotony mogą bezpośrednio odcinać wiązania wiązania cząsteczek lub atomów, co jest zasadniczo reakcją fotochemiczną, zasadniczo bez zjawiska topnienia, a zatem ograniczenie wpływu efektu termicznego. Z drugiej strony pasmo UV jest czułym pasmem wielu polimerów, takich jak fotomaski. Polimery te wytworzą efekt polimeryzacji dwufotonowej pod napromieniowaniem ultrafioletowego lasera femtosekundowego, który powoduje, że przepływający koloid polimeryzuje w ciało stałe o wysokiej wytrzymałości mechanicznej. Po przetworzeniu maska fotolitograficzna zostanie zmyta i można uzyskać pożądaną strukturę. Stosując tę zasadę, można przeprowadzić bardzo dokładne przetwarzanie struktury 3 D.
Charakterystyka i zalety obróbki femtosekundowej w polach wektorowych i wirowych
Tradycyjne przetwarzanie lasera femtosekundowego koncentruje się głównie na charakterystyce energetycznej lasera. Nieliniowy efekt materiałów jest indukowany przez ultrawysoką energię pola lasera femtosekundowego, aby osiągnąć cel przetwarzania. W procesie interakcji między światłem i materią zachodzi nie tylko absorpcja energii, ale także wymiana pędu, co oznacza, że nowy tryb laserowy może w pełni wykorzystać swoje zalety w dziedzinie przetwarzania femtosekundowego.
Pole wektorowe i pole wirowe to dwa najbardziej typowe nowe tryby laserowe. Ich przestrzenne cechy topologiczne polaryzacji i fazy sprawiają, że pole ma pewne szczególne właściwości fizyczne. Na przykład pole wektorowe może zbiegać się w ognisko poza granicą dyfrakcji, która jest mniejsza, więc dokładność obróbki jest wyższa. Z drugiej strony pęd kątowy fotonu przenoszony przez samo pole może wymieniać pęd z materią. Na przykład wirowe pole świetlne o strukturze fazy spiralnej przenosi pęd orbitalny kątowy fotonu, który napędza cząsteczki do obracania się wokół ustalonej osi; kołowo spolaryzowane światło dla leworęcznych lub praworęcznych przenosi moment pędu spinowego fotonu, który może indukować obracanie się cząstek; wektorowe pole świetlne, którego stan polaryzacji zmienia się wraz z położeniem przestrzennym, może pokazywać interakcję między momentem kątowym. W ten sam sposób właściwości pędu pól wektorowych i wirowych można również zastosować w laserowym przetwarzaniu femtosekundowym, takim jak zastosowanie pól wirowych do indukcji struktur chiralnych, użycie pól wektorowych do indukcji złożonych wzorów i tak dalej.
W porównaniu z tradycyjnym przetwarzaniem lasera femtosekundowego, przetwarzanie lasera femtosekundowego w polu wektorowym i wirowym wytwarzane przez układ lasera ultrafioletowego o dużej mocy z kontrolowanymi właściwościami czasoprzestrzennymi sprawia, że struktura przetwarzania jest zróżnicowana i skomplikowana. Projektując rozkład faz i polaryzacji pola świetlnego, możemy uzyskać różnorodne wzory powierzchni, a nawet złożoną trójwymiarową topologię. Wykorzystanie femtosekundowej technologii kształtowania impulsu laserowego w połączeniu z technologią modulacji światła w czasoprzestrzeni i technologią ogniskowania czasoprzestrzennego w celu modulowania ultraszybkiego impulsu laserowego w dziedzinie czasu i częstotliwości oraz realizacji trójwymiarowej mikro-nano obróbki i praktycznego zastosowania w różnych materiałach . Oczekuje się, że technologie te będą odgrywać ważną rolę w nowej zintegrowanej optyce i mikro nano-optyce.
Zalety i potencjalne zastosowania femtosekundowych pól świetlnych w ultrafiolecie, wektorze i wirach
Przy ciągłym rozwoju branży tradycyjna technologia laserowego przetwarzania femtosekundowego nie jest w stanie zaspokoić rosnącego popytu przemysłowego, dlatego należy ją opracować i zoptymalizować. Technologia laserowego femtosekundowego promieniowania UV jest skutecznym sposobem na poprawę dokładności przetwarzania i ma wielką wartość użytkową w produkcji przemysłowej. Technologia przetwarzania laserowego femtosekundowego pola wektorowego i wirowego zmieniła tradycyjny tryb pojedynczego przetwarzania, dzięki czemu przetwarzanie laserowe jest bardziej elastyczne i różnorodne. Ponadto technologia przetwarzania laserowego femtosekundowego wektora UV i vortex jest także praktyką i weryfikacją teorii interakcji między światłem a materią, która jest pomocna w odkryciu głębszego mechanizmu fizycznego i ma pozytywne znaczenie naukowe.