Το λέιζερ θεωρείται ως μία από τις μεγαλύτερες εφευρέσεις του 20 αιώνα. Με το τέλος τριών βιομηχανικών επαναστάσεων, το λέιζερ θα είναι το κλειδί για να οδηγήσει την τέταρτη βιομηχανική επανάσταση. Η εμφάνιση του λέιζερ έχει προωθήσει σε μεγάλο βαθμό την ανάπτυξη της βιομηχανίας. Το λέιζερ έχει γίνει το πιο προηγμένο και ευρέως χρησιμοποιούμενο μέσο στη μηχανική κατεργασία λόγω των πλεονεκτημάτων του όπως η υψηλή ισχύς, η εύκολη εστίαση, η υψηλή φωτεινότητα και η καλή κατευθυντικότητα. Η επεξεργασία λέιζερ έχει τα πλεονεκτήματα της υψηλής ακρίβειας, της υψηλής ταχύτητας και του χαμηλού κόστους. Μπορεί να ελεγχθεί αυτόματα από τον προγραμματισμό υπολογιστών. Μπορεί να επεξεργαστεί τη δομή με πολύπλοκο σχήμα. Επειδή είναι επεξεργασία χωρίς επαφή, δεν θα βλάψει το υλικό και είναι ασφαλές και αξιόπιστο.
Ταξινόμηση και χαρακτηριστικά επεξεργασίας λέιζερ
Σύμφωνα με τον μηχανισμό αλληλεπίδρασης μεταξύ λέιζερ και ύλης, η επεξεργασία λέιζερ μπορεί να χωριστεί σε δύο κατηγορίες: θερμική επεξεργασία λέιζερ και μη θερμική επεξεργασία. Οι τύποι λέιζερ που χρησιμοποιούνται στη θερμική επεξεργασία και τη μη θερμική επεξεργασία είναι διαφορετικοί. Το λέιζερ μεγάλου παλμού ή το συνεχές λέιζερ χρησιμοποιείται συνήθως στη θερμική επεξεργασία, και το λέιζερ παλμών υπεριώδους όπως το picosecond και το femtosecond χρησιμοποιείται συνήθως στη μη θερμική επεξεργασία.
Η θερμική επεξεργασία με λέιζερ χρησιμοποιεί το θερμικό αποτέλεσμα που παράγεται κατά τη διαδικασία ακτινοβόλησης λέιζερ υλικών. Το μοριακό σύστημα των ακτινοβολημένων υλικών πρέπει να λαμβάνει συνεχώς ενέργεια από την ακτινοβολία λέιζερ και να το μετατρέπει σε δική του εσωτερική ενέργεια. Η θερμοκρασία της ακτινοβολημένης περιοχής αυξάνεται απότομα για να επιτευχθεί το σημείο τήξης και το σημείο βρασμού των υλικών, η τήξη και η αφαίρεση, και να επιτευχθεί ο σκοπός της επεξεργασίας. Επειδή η ενέργεια του λέιζερ χρειάζεται πολύ χρόνο για να μετατραπεί σε εσωτερική ενέργεια του μοριακού συστήματος, το λέιζερ μεγάλου παλμού χρησιμοποιείται συχνά στη θερμική επεξεργασία. Αυτή η μέθοδος επεξεργασίας είναι απλή και άμεση και έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στη βιομηχανική κατασκευή, όπως κοπή λέιζερ, κατασκευή πρόσθετων λέιζερ κ.λπ. Ωστόσο, λόγω της αναπόφευκτης θερμικής διάχυσης στην επεξεργασία, η ακρίβεια και η τραχύτητα της θερμικής επεξεργασίας λέιζερ είναι περιορισμένη.
Η μη θερμική επεξεργασία είναι η χρήση των μη γραμμικών φαινομένων (όπως μη γραμμικός ιονισμός, επιφανειακή σκέδαση κ.λπ.) που προκαλείται από τη διαταραχή του ηλεκτρονικού συστήματος υλικών, μέσω της μετάβασης και του ιονισμού των ηλεκτρονίων απορρόφησης ηλεκτρονίων, των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων του Τα υλικά προκαλούνται να αλλάξουν, οδηγώντας έτσι στη δημιουργία ορισμένων νέων εφέ (όπως πολυμερισμός δύο φωτονίων, αυτοσυναρμολόγηση λέιζερ κ.λπ.), χρησιμοποιώντας αυτά τα νέα εφέ για την επίτευξη της αύξησης Ο σκοπός της ακρίβειας και της βελτιστοποίησης της μηχανικής επεξεργασίας. Επειδή η ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ του συστήματος ηλεκτρονίων και του λέιζερ μπορεί να ολοκληρωθεί σε μια στιγμή, η μη θερμική επεξεργασία χρησιμοποιεί συνήθως ένα λέιζερ παλμών υπεριώδους. Αυτή η μέθοδος έχει υψηλή ακρίβεια και διάφορες μεθόδους επεξεργασίας, η οποία είναι ένα από τα ερευνητικά σημεία στο πεδίο της επεξεργασίας με λέιζερ.
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της παραδοσιακής επεξεργασίας λέιζερ femtosecond
Η εξαιρετικά υψηλή ισχύ αιχμής και η πολύ μικρή διάρκεια παλμού είναι δύο κύρια πλεονεκτήματα του λέιζερ femtosecond. Η εξαιρετικά υψηλή ισχύ αιχμής είναι αρκετή για να προκαλέσει μια ποικιλία μη γραμμικών εφέ, τα οποία εμπλουτίζουν τις μεθόδους επεξεργασίας λέιζερ. Τα εξαιρετικά γρήγορα χαρακτηριστικά χρόνου καθιστούν επίσης τη διαδικασία αλληλεπίδρασης μεταξύ λέιζερ femtosecond και υλικών πολύ μικρή. Η ενέργεια φωτός που απορροφάται από την περιοχή ακτινοβολίας λέιζερ δεν μπορεί καν να μεταφερθεί σε άλλες περιοχές, έτσι ώστε να διασφαλιστεί ότι η ενέργεια λέιζερ μπορεί να εναποτεθεί με ακρίβεια στο εύρος ακτινοβολίας και να πραγματοποιήσει εξαιρετικά λεπτή επεξεργασία.
Επί του παρόντος, το λέιζερ femtosecond έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στον τομέα της επεξεργασίας μικρο και νανο, κυρίως με άμεση γραφή λέιζερ και μάσκα λέιζερ. Ωστόσο, λόγω του ορίου περίθλασης του συστήματος κατεργασίας, είναι αδύνατο να μειωθεί η περιοχή ακτινοβολίας λέιζερ χωρίς περιορισμό, γεγονός που περιορίζει την περαιτέρω βελτίωση της ακρίβειας της μηχανικής. Ταυτόχρονα, λόγω των διαφορετικών μη γραμμικών χαρακτηριστικών διαφορετικών υλικών, η επεξεργασία λέιζερ femtosecond εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τα υλικά. Η ίδια μέθοδος επεξεργασίας συχνά εμφανίζει διαφορετικά αποτελέσματα επεξεργασίας για διαφορετικά υλικά.
Πλεονεκτήματα της επεξεργασίας λέιζερ υπεριώδους femtosecond
Με την ανάπτυξη της σύγχρονης βιομηχανίας, η απαίτηση για ακρίβεια μηχανικής κατεργασίας αυξάνεται και ένας από τους κύριους παράγοντες που επηρεάζουν την ακρίβεια μηχανικής κατεργασίας με λέιζερ είναι το όριο περίθλασης του συστήματος κατεργασίας. Το όριο περίθλασης είναι μια φυσική παράμετρος που περιγράφει την ακρίβεια απεικόνισης ή επεξεργασίας ενός οπτικού συστήματος. Όσο μικρότερο είναι το όριο περίθλασης, τόσο μεγαλύτερη είναι η ακρίβεια επεξεργασίας. Γενικά, το όριο περίθλασης είναι άμεσα ανάλογο με το μήκος κύματος του προσπίπτοντος φωτός, οπότε η μείωση του μήκους κύματος του λέιζερ γίνεται το πιο άμεσο και αποτελεσματικό μέσο για τη βελτίωση του ορίου περίθλασης. Για παράδειγμα, η τεχνολογία λιθογραφίας UV που χρησιμοποιείται ευρέως στην τρέχουσα βιομηχανία είναι η βελτίωση της ακρίβειας επεξεργασίας μειώνοντας το μήκος κύματος του λέιζερ.
Το UV λέιζερ αναφέρεται στο λέιζερ του οποίου το μήκος κύματος είναι μικρότερο από 380 nm. Σε σύγκριση με το μήκος κύματος που χρησιμοποιείται συνήθως από λέιζερ femtosecond (κυρίως στη ζώνη ορατού φωτός, 380 nm-760nm), η ακρίβεια επεξεργασίας του λέιζερ UV femtosecond είναι υψηλότερη. Ταυτόχρονα, λόγω του μικρού μήκους κύματος του υπεριώδους λέιζερ femtosecond και της μεγάλης ενέργειας ενός μεμονωμένου φωτονίου, τα φωτόνια μπορούν άμεσα να κόψουν τους δεσμούς των μορίων ή των ατόμων, που είναι ουσιαστικά μια φωτοχημική αντίδραση, βασικά χωρίς φαινόμενο τήξης, έτσι περιορίζοντας την επίδραση της θερμικής επίδρασης. Από την άλλη πλευρά, η ζώνη UV είναι η ευαίσθητη ταινία πολλών πολυμερών, όπως φωτοανθεκτικοί. Αυτά τα πολυμερή θα παράγουν ένα φαινόμενο πολυμερισμού δύο φωτονίων υπό την ακτινοβόληση υπεριώδους λέιζερ μηττοδευτερόλεπτου, το οποίο καθιστά το ρέον κολλοειδές πολυμερισμό σε ένα στερεό με υψηλή μηχανική αντοχή. Μετά την επεξεργασία, ο φωτοανθεκτικός θα ξεπλυθεί και μπορεί να ληφθεί η επιθυμητή δομή. Χρησιμοποιώντας αυτήν την αρχή, μπορεί να πραγματοποιηθεί εξαιρετικά λεπτή 3 επεξεργασία δομής D
Χαρακτηριστικά και πλεονεκτήματα της κατεργασίας femtosecond σε πεδία φορέα και δίνης
Η παραδοσιακή επεξεργασία λέιζερ femtosecond εστιάζει κυρίως στα ενεργειακά χαρακτηριστικά του λέιζερ. Το μη γραμμικό αποτέλεσμα των υλικών προκαλείται από την εξαιρετικά υψηλή ενέργεια του πεδίου λέιζερ femtosecond, έτσι ώστε να επιτευχθεί ο σκοπός της επεξεργασίας. Κατά τη διαδικασία αλληλεπίδρασης μεταξύ φωτός και ύλης, δεν υπάρχει μόνο η απορρόφηση ενέργειας αλλά και η ανταλλαγή ορμής, πράγμα που σημαίνει ότι η νέα λειτουργία λέιζερ μπορεί να παίξει πλήρως τα πλεονεκτήματά της στον τομέα της επεξεργασίας femtosecond.
Το πεδίο Vector και το πεδίο δίνης είναι δύο από τις πιο τυπικές νέες λειτουργίες λέιζερ. Τα χωρικά τοπολογικά χαρακτηριστικά της πόλωσης και της φάσης κάνουν το πεδίο να έχει κάποιες ιδιαίτερες φυσικές ιδιότητες. Για παράδειγμα, το πεδίο του φορέα μπορεί να συγκλίνει στο εστιακό σημείο πέρα από το όριο περίθλασης, το οποίο είναι μικρότερο σε μέγεθος, έτσι η ακρίβεια της μηχανικής επεξεργασίας είναι υψηλότερη. Από την άλλη πλευρά, η γωνιακή ορμή φωτονίων που μεταφέρεται από το ίδιο το πεδίο μπορεί να ανταλλάξει ορμή με την ύλη. Για παράδειγμα, το φωτεινό πεδίο δίνης με δομή σπειροειδούς φάσης μεταφέρει την τροχιακή γωνιακή ορμή του φωτονίου, η οποία οδηγεί τα σωματίδια να περιστρέφονται γύρω από τον σταθερό άξονα. το αριστερό ή δεξιόστροφο κυκλικά πολωμένο φως φέρει τη γωνιακή ορμή περιστροφής φωτονίων, η οποία μπορεί να προκαλέσει την περιστροφή των σωματιδίων. Το διανυσματικό πεδίο φωτός του οποίου η κατάσταση πόλωσης αλλάζει με τη χωρική θέση μπορεί να δείξει την αλληλεπίδραση μεταξύ της γωνιακής ορμής. Με τον ίδιο τρόπο, τα χαρακτηριστικά ορμής των πεδίων φορέων και στροβίλων μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν στην επεξεργασία λέιζερ femtosecond, όπως η χρήση πεδίων δίνης για την πρόκληση χειρόμορφων δομών, η χρήση πεδίων φορέα για την πρόκληση σύνθετων σχεδίων και ούτω καθεξής.
Σε σύγκριση με την παραδοσιακή επεξεργασία λέιζερ femtosecond, η επεξεργασία λέιζερ femtosecond πεδίου φορέα και στροβίλου που παράγεται από το σύστημα υπεριώδους λέιζερ υψηλής ισχύος με ελεγχόμενα χαρακτηριστικά χωροχρόνου καθιστά τη δομή επεξεργασίας διαφοροποιημένη και περίπλοκη. Με το σχεδιασμό της κατανομής φάσης και πόλωσης του φωτεινού πεδίου, μπορούμε να πάρουμε μια ποικιλία προτύπων επιφανείας και ακόμη και περίπλοκη τρισδιάστατη τοπολογία. Χρησιμοποιώντας τεχνολογία διαμόρφωσης παλμών λέιζερ δευτερολέπτου σε συνδυασμό με τεχνολογία διαμόρφωσης φωτός χωροχρόνου και τεχνολογία εστίασης χωροχρόνου για τη διαμόρφωση του εξαιρετικά γρήγορου παλμού λέιζερ στον τομέα χρόνου και συχνότητας και πραγματοποίηση της τρισδιάστατης μικρο-νανοεπεξεργασίας και πρακτική εφαρμογή σε διαφορετικά υλικά . Αυτές οι τεχνολογίες αναμένεται να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στα νέα ολοκληρωμένα οπτικά και μικρο-νανο-οπτικά.
Πλεονεκτήματα και πιθανές εφαρμογές υπεριώδους, διανύσματος και στροβιλισμού πεδίων φωτός δευτερολέπτου
Με τη συνεχή ανάπτυξη του κλάδου, η παραδοσιακή τεχνολογία επεξεργασίας λέιζερ femtosecond δεν μπορεί να καλύψει την αυξανόμενη βιομηχανική ζήτηση, επομένως πρέπει να αναπτυχθεί και να βελτιστοποιηθεί. Η τεχνολογία επεξεργασίας laser UV femtosecond είναι ένας αποτελεσματικός τρόπος βελτίωσης της ακρίβειας της επεξεργασίας και έχει μεγάλη αξία στην βιομηχανική κατασκευή. Η τεχνολογία επεξεργασίας λέιζερ femtosecond του πεδίου διανύσματος και στροβιλισμού έχει αλλάξει τον παραδοσιακό τρόπο απλής επεξεργασίας, καθιστώντας την επεξεργασία λέιζερ πιο ευέλικτη και διαφορετική. Επιπλέον, η τεχνολογία επεξεργασίας λέιζερ φορέων UV και vortex femtosecond είναι επίσης η πρακτική και η επαλήθευση της θεωρίας της αλληλεπίδρασης μεταξύ φωτός και ύλης, η οποία είναι χρήσιμη για την αποκάλυψη του βαθύτερου φυσικού μηχανισμού και έχει θετική επιστημονική σημασία.