Depinisyon
Ang ultrafast laser ay isang uri ng ultra-intense ultra-short pulsed laser na may pulse width na mas mababa sa o sa loob ng pico2nd level (10-12s), na tinukoy batay sa waveform ng output ng enerhiya. Ang kahulugan na ito ay nauugnay sa "ultrafast phenomena". Ang ultrafast phenomenon ay tumutukoy sa isang phenomenon na nangyayari sa isang pisikal, kemikal o biological na proseso na mabilis na nagbabago sa microscopic system ng matter. Sa atomic at molecular system, ang sukat ng oras ng paggalaw ng mga atom at molekula ay nasa pagkakasunud-sunod ng picoseconds hanggang femtoseconds. Halimbawa, ang panahon ng pag-ikot ng molekular ay nasa pagkakasunud-sunod ng mga picosecond, at ang panahon ng pag-vibrate ay nasa pagkakasunud-sunod ng mga femtosecond. Kapag ang lapad ng pulso ng laser ay umabot sa antas ng pico2nd o femtosecond, higit na maiiwasan nito ang impluwensya sa pangkalahatang thermal motion ng mga molekula (ang thermal motion ng mga molekula ay ang microscopic essence ng temperatura ng matter), at ang materyal ay nabuo sa sukat ng oras ng molecular vibration. Impluwensya, upang habang nakamit ang layunin ng pagproseso, ang thermal effect ay lubhang nabawasan.
Uri
Maraming mga pamamaraan ng pag-uuri para sa mga laser, kung saan mayroong 4 na pinakakaraniwang ginagamit na mga pamamaraan ng pag-uuri, kabilang ang pag-uuri ayon sa gumaganang sangkap, pag-uuri ayon sa waveform ng output ng enerhiya (mode ng pagtatrabaho), pag-uuri ayon sa wavelength ng output (kulay), at pag-uuri ayon sa kapangyarihan.
Kabilang sa mga ito, ayon sa waveform ng output ng enerhiya, ang mga laser ay maaaring nahahati sa tuloy-tuloy na mga laser, pulsed laser, at quasi-continuous na mga laser:
Patuloy na Laser
Ito ay isang laser na patuloy na naglalabas ng mga matatag na waveform ng enerhiya sa mga oras ng pagtatrabaho. Ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng mataas na kapangyarihan at maaaring magproseso ng mga materyales na may malaking volume at mataas na punto ng pagkatunaw, tulad ng mga metal plate.
Pulsed Laser
Naglalabas ito ng enerhiya sa anyo ng mga pulso. Ayon sa lapad ng pulso, maaari pa itong hatiin sa milli2nd lasers, micro2nd lasers, nano2nd shutdown device, pico2nd lasers, femto2nd lasers, at atto2nd lasers; halimbawa, kung ang isang pulse laser Ang lapad ng pulso ng output laser ay nasa pagitan ng 1-1000ns, na tinatawag naming nano2nd laser, at iba pa. Tinatawag namin ang pico2nd lasers, femto2nd lasers, atto2nd lasers, at ultrafast lasers. Ang kapangyarihan ng pulsed laser ay mas mababa kaysa sa tuloy-tuloy na laser, ngunit ang katumpakan ng pagproseso ay mas mataas kaysa sa tuloy-tuloy na laser, at sa pangkalahatan, mas makitid ang lapad ng pulso, mas mataas ang katumpakan ng pagproseso.
Quasi-CW Laser
Maaari itong paulit-ulit na mag-output ng medyo mataas na enerhiya na laser sa loob ng isang tiyak na panahon, at ito rin ay isang pulse laser sa teorya.
Ang mga waveform ng output ng enerhiya ng 3 laser sa itaas ay maaari ding ilarawan ng parameter na "duty cycle". Para sa isang laser, ang duty cycle ay maaaring bigyang-kahulugan bilang ang ratio ng oras ng laser energy output na nauugnay sa kabuuang oras sa loob ng isang pulse cycle.
CW laser duty cycle (=1) > quasi-CW laser duty cycle > pulsed laser duty cycle. Sa pangkalahatan, mas makitid ang lapad ng pulse ng pulsed laser, mas mababa ang duty cycle.
Sa larangan ng pagproseso ng materyal, ang mga pulsed laser ay sa una ay isang transisyonal na produkto ng tuluy-tuloy na mga laser. Ito ay dahil ang lakas ng output ng tuloy-tuloy na mga laser ay hindi maaaring maging napakataas dahil sa impluwensya ng mga kadahilanan tulad ng kapasidad ng tindig ng mga pangunahing bahagi at ang antas ng teknolohiya sa maagang yugto, at ang materyal ay hindi maaaring pinainit sa punto ng pagkatunaw. Naabot ng nasa itaas ang layunin ng pagproseso. Kung ang ilang mga teknikal na paraan ay ginagamit upang ituon ang enerhiya ng output ng laser sa isang solong pulso, upang kahit na ang kabuuang kapangyarihan ng laser ay hindi nagbabago, ang madalian na kapangyarihan sa oras ng pulso ay lubhang nadagdagan, na nakakatugon sa mga kinakailangan ng pagproseso ng materyal. Nang maglaon, ang tuluy-tuloy na teknolohiya ng laser ay unti-unting nag-mature, at nalaman na ang pulsed laser ay may malaking kalamangan sa katumpakan ng pagproseso. Ito ay dahil ang thermal effect ng pulsed laser sa mga materyales ay mas maliit, at mas makitid ang laser pulse width, mas maliit ang thermal effect, at mas makinis ang gilid ng naprosesong materyal , ang kaukulang machining accuracy ay mas mataas.
Piraso
2 pangunahing pangangailangan ng mga ultrafast laser: mataas na katatagan ultrashort pulse at mataas na enerhiya ng pulso. Sa pangkalahatan, ang mga ultrashort pulse ay maaaring makuha sa pamamagitan ng paggamit ng mode-locking technology, at mataas na pulse energy ay maaaring makuha sa pamamagitan ng paggamit ng CPA amplification technology. Kasama sa mga pangunahing bahagi ang mga oscillator, stretcher, amplifier, at compressor. Kabilang sa mga ito, ang teknolohiya ng oscillator at amplifier ang pinakamahirap, at sila rin ang pangunahing teknolohiya ng isang ultrafast laser manufacturing company.
Osileytor
Sa oscillator, ang mga ultrafast laser pulse ay nakuha gamit ang mode-locking technique.
Stretcher
Iniuunat ng stretcher ang mga pulso ng femto2nd seed sa oras sa pamamagitan ng iba't ibang wavelength.
Amplifier
Ang isang chirped amplifier ay ginagamit upang ganap na pasiglahin ang nakaunat na pulso.
tagapiga
Pinagsasama-sama ng compressor ang amplified spectra ng iba't ibang bahagi at ibinabalik ang mga ito sa femto2nd width, kaya bumubuo ng femto2nd laser pulse na may napakataas na instantaneous power.
aplikasyon
Kung ikukumpara sa nano2nd at milli2nd lasers, kahit na ang pangkalahatang kapangyarihan ng ultrafast lasers ay mas mababa, dahil direkta itong kumikilos sa sukat ng oras ng mga materyal na molekular na vibrations, napagtanto nito ang "cold processing" sa totoong kahulugan, kaya ang katumpakan ng pagproseso ay lubos na napabuti.
Dahil sa iba't ibang katangian, ang mga high-power na tuloy-tuloy na laser, non-ultrafast pulsed lasers at ultrafast lasers ay may malaking pagkakaiba sa downstream application fields:
Ang mga high-power continuous laser (at quasi-continuous lasers) ay ginagamit para sa pagputol, sintering, hinang, pang-ibabaw na cladding, pagbabarena, 3D pag-print ng mga materyales na metal.
Ang non-ultrafast pulsed lasers ay ginagamit para sa pagmamarka ng mga non-metallic na materyales, pagproseso ng mga materyales na silikon, precision ukit ng mga ibabaw ng metal, paglilinis ng mga ibabaw ng metal, katumpakan na hinang ng mga metal, micromachining ng mga metal.
Ang mga ultrafast laser ay ginagamit para sa pagputol at pagwelding ng mga transparent na materyales tulad ng salamin, PET at sapphire at matigas at malutong na materyales, katumpakan ng pagmamarka, ophthalmic surgery, microscopic passivation at etching ng mga materyales.
Mula sa punto ng view ng paggamit, ang mga high-power na CW laser at ultrafast lasers ay halos walang ugnayang magkapalit. Ang mga ito ay tulad ng mga palakol at sipit, at ang kanilang mga sukat ay may sariling mga pakinabang at disadvantages. Ang mga downstream na application ng non-ultrafast pulsed lasers ay may ilang overlap na may tuloy-tuloy na mga laser at ultrafast lasers. Mula sa aktwal na mga resulta, sa ilalim ng parehong aplikasyon, ang kapangyarihan nito ay hindi kasing ganda ng tuluy-tuloy na mga laser, at ang katumpakan nito ay hindi kasing ganda ng mga ultrafast na laser. Ang mas kitang-kita ay ang pagganap ng gastos.
Lalo na ang nano2nd ultraviolet laser, kahit na ang lapad ng pulso nito ay hindi umabot sa pico2nd na antas, ngunit ang katumpakan ng pagproseso ay lubos na napabuti kumpara sa iba pang mga kulay nano2nd lasers, ito ay malawakang ginagamit sa pagproseso at pagmamanupaktura ng mga produkto ng 3C. Sa hinaharap, habang bumababa ang halaga ng mga ultrafast laser, maaari nitong sakupin ang nano2nd ultraviolet market.
Napagtatanto ng mga ultrafast laser ang malamig na pagpoproseso sa tunay na kahulugan at may mga makabuluhang pakinabang sa pagpoproseso ng katumpakan. Habang unti-unting tumatanda ang teknolohiya ng produksyon ng mga ultrafast laser, unti-unting bumababa ang gastos. Sa hinaharap, inaasahang malawak itong magamit sa medical biology, aerospace, consumer electronics, lighting display, energy environment, precision machinery at iba pang downstream na industriya.
Medikal na Kosmetolohiya
Ang mga ultrafast laser ay maaaring gamitin sa mga medikal na kagamitan sa pagtitistis sa mata at mga kagamitang kosmetiko. Ang Femto2nd laser ay ginagamit sa myopia surgery at kilala bilang "isa pang rebolusyon sa refractive surgery" pagkatapos ng wavefront aberration technology. Ang axis ng mata ng mga myopic na pasyente ay mas malaki kaysa sa normal na axis ng mata, kaya't sa estado ng pagpapahinga ng eyeball, ang focus ng parallel light rays pagkatapos ng repraksyon ng repraktibo na sistema ng mata ay nahuhulog sa harap ng retina. Maaaring alisin ng Femto2nd laser surgery ang labis na kalamnan sa axial dimension at ibalik ang axial distance sa normal. Ang Femto2nd laser surgery ay may mga pakinabang ng mataas na katumpakan, mataas na kaligtasan, mataas na katatagan, maikling oras ng operasyon, at mataas na ginhawa, at naging isa sa mga pinaka-pangunahing paraan ng myopia surgery.
Sa mga tuntunin ng kagandahan, ang mga ultra-mabilis na laser ay maaaring gamitin upang alisin ang pigment at katutubong moles, alisin ang mga tattoo, at pahusayin ang pagtanda ng balat.
Consumer Electronics
Ang mga ultrafast laser ay angkop para sa matigas at malutong na transparent na pagproseso ng materyal, pagpoproseso ng manipis na pelikula, pagmamarka ng katumpakan, atbp. sa proseso ng pagmamanupaktura ng consumer electronics. Ang tempered glass at sapphire ng mobile phone ay kinatawan ng matigas, malutong at transparent na materyales sa mga hilaw na materyales ng consumer electronics, lalo na ang sapphire, dahil sa mataas na tigas at mataas na brittleness nito, ang kahusayan at rate ng ani ng mga tradisyonal na pamamaraan ng machining ay napakababa; malawak na ngayong ginagamit ang sapphire Ito ay malawakang ginagamit sa mga matalinong relo, mga pabalat ng camera ng mobile phone, mga pabalat ng module ng fingerprint, atbp.; Ang nano2nd ultraviolet laser at ultrafast laser ay ang pangunahing teknikal na paraan para sa pagputol ng sapphire sa kasalukuyan, at ang pagproseso ng epekto ng ultrafast laser ay mas mahusay kaysa sa ultraviolet nano2nd laser. Bilang karagdagan, ang mga pamamaraan sa pagproseso na ginagamit ng mga module ng camera at mga module ng fingerprint ay pangunahing nano2nd at pico2nd laser. Para sa pagputol ng nababaluktot na mga screen ng mobile phone (mga foldable na screen) at ang kaukulang 3D glass drilling sa hinaharap, ang pangunahing teknolohiya ay malamang na ultrafast lasers.
Ang mga ultrafast laser ay mayroon ding mahahalagang aplikasyon sa paggawa ng panel. Ang mga ultrafast laser ay maaaring gamitin para sa pagputol ng mga OLED polarizer, pagbabalat at pag-aayos sa panahon ng pagmamanupaktura ng LCD/OLED.
Para sa mga OLED, ang mga polymer na materyales nito ay partikular na sensitibo sa mga thermal influence. Bilang karagdagan, ang laki at espasyo ng mga cell na kasalukuyang ginagawa ay napakaliit, at ang natitirang sukat ng pagproseso ay napakaliit din. Ang tradisyunal na proseso ng die-cutting tulad ng dati ay hindi na angkop para sa ngayon. Ang mga pangangailangan ng produksyon ng industriya, at ngayon ay may mga kinakailangan sa aplikasyon para sa mga espesyal na hugis na screen at butas-butas na mga screen, na lampas sa mga kakayahan ng tradisyonal na mga crafts. Sa ganitong paraan, ang mga benepisyo ng ultrafast lasers ay makikita, lalo na ang pico2nd ultraviolet o kahit femto2nd lasers, na may maliit na heat-affected zone at mas angkop para sa mas flexible application gaya ng curve processing.
Micro Welding
Para sa transparent na solidong media gaya ng salamin, ang iba't ibang phenomena gaya ng nonlinear absorption, melting damage, plasma formation, ablation, at fiber propagation ay magaganap kapag ang ultrashort pulse laser ay dumami sa medium. Ang figure ay nagpapakita ng iba't ibang mga phenomena na nagaganap sa pakikipag-ugnayan sa pagitan ng ultrashort pulse laser at solid na materyal sa ilalim ng iba't ibang densidad ng kapangyarihan at mga kaliskis ng oras.
Dahil ang ultra-short pulse laser micro-welding technology ay hindi kailangang magpasok ng intermediate layer, may mataas na kahusayan, mataas na katumpakan, walang macroscopic thermal effect, at may medyo ideal na mekanikal at optical na mga katangian pagkatapos ng micro-welding treatment, ito ay napaka-angkop para sa micro-welding ng mga transparent na materyales tulad ng salamin. Halimbawa, matagumpay na na-welded ng mga mananaliksik ang mga end cap sa standard at microstructured optical fibers gamit ang 70 fs, 250 kHz pulses.
Display Lighting
Ang paggamit ng ultrafast lasers sa larangan ng display lighting ay pangunahing tumutukoy sa scribing at pagputol ng LED wafers. Ito ay isa pang halimbawa ng ultrafast laser na angkop para sa pagproseso ng matitigas at malutong na materyales. Ang ultrafast laser processing ay may mataas na cross-section flatness at makabuluhang nabawasan ang edge chipping. Ang kahusayan at katumpakan ay lubos na napabuti.
Enerhiya ng Photovoltaic
Ang mga ultrafast laser ay may malawak na puwang sa paggamit sa paggawa ng mga photovoltaic cell. Halimbawa, sa paggawa ng mga CIGS thin-film na baterya, ang mga ultrafast laser ay maaaring palitan ang orihinal na mekanikal na proseso ng scribing at makabuluhang mapabuti ang kalidad ng scribing, lalo na para sa P2 at P3 scribing link, na halos walang chipping at walang mga bitak at natitirang stress.
Aerospace
Upang mapabuti ang pagganap at buhay ng serbisyo ng mga blades ng turbine, at pagkatapos ay mapabuti ang pagganap ng makina, kinakailangan na gamitin ang air film cooling technology, na naglalagay ng napakataas na kinakailangan para sa air film hole processing technology. Noong 2018, binuo ng Xi'an Institute of Optics and Mechanics ang pinakamataas na single pulse energy sa China. Ang 26-watt industrial-grade femto2nd fiber laser, at nakabuo ng isang serye ng ultra-fast laser extreme manufacturing equipment, nakamit ang isang pambihirang tagumpay sa "cold processing" ng air film holes sa aero-engine turbine blades, na pinupunan ang domestic gap. Ang pamamaraan ng pagproseso na ito ay mas advanced kaysa sa EDM Ang katumpakan ng pamamaraan ay mas mataas, at ang rate ng ani ay lubos na napabuti.
Ang mga ultrafast laser ay maaari ding ilapat sa precision machining ng fiber-reinforced composite materials, at ang pagpapabuti ng machining accuracy ay makakatulong sa pagpapalawak ng application ng composite materials gaya ng carbon fiber sa aerospace at iba pang high-end na field.
Larangan ng Pananaliksik
Ang 2-photon polymerization technology (2PP) ay isang "nano-optical" 3D paraan ng pag-print, katulad ng teknolohiyang mabilis na pag-prototyping ng light-curing, at naniniwala ang futurist na si Christopher Barnatt na ang teknolohiyang ito ay maaaring maging isang pangunahing anyo ng 3D pagpi-print sa hinaharap. Ang prinsipyo ng 2-photon polymerization na teknolohiya ay ang piliing gamutin ang photosensitive resin sa pamamagitan ng paggamit ng "femto2nd pulse laser". Ito ay parang photocuring ng mabilis na prototyping, ang pagkakaiba ay ang pinakamababang kapal ng layer at XY axis resolution na maaaring makamit ng 2-photon polymerization technology ay nasa pagitan ng 100 nm at 200 nm. Sa madaling salita, 2PP 3D Ang teknolohiya sa pag-print ay daan-daang beses na mas tumpak kaysa sa tradisyonal na teknolohiya ng paghuhulma ng light-curing, at ang mga naka-print na bagay ay mas maliit kaysa sa bakterya.
Sa kasalukuyan, ang presyo ng ultrafast lasers ay medyo mahal pa rin. Bilang isang pioneer sa industriya, STYLECNC ay gumagawa na ng ultrafast na kagamitan sa pagpoproseso ng laser at nakamit ang magandang feedback sa merkado. Laser precision cutting equipment para sa OLED modules batay sa ultrafast laser technology, ultrafast (picosecond/femtosecond) laser marking equipment, glass chamfering laser processing equipment para sa pico2nd infrared display screen, at pico2nd infrared glass wafers ay inilunsad na laser cutting equipment, LED automatic invisible dicing machine, semiconductor wafer laser cutting machine, glass cover cutting equipment para sa fingerprint identification modules, flexible display mass production lines at isang serye ng mga ultra-fast laser products.
Mga kalamangan at kahinaan
Mga kalamangan
Ang ultrafast laser ay isang mahalagang direksyon ng pag-unlad sa larangan ng laser. Bilang isang umuusbong na teknolohiya, ito ay may malaking pakinabang sa precision micromachining. Ang ultra-short pulse na nabuo ng ultra-fast laser ay nakikipag-ugnayan sa materyal sa napakaikling panahon, at hindi magdadala ng init sa mga nakapalibot na materyales, kaya ang ultra-fast na laser processing ay tinatawag ding cold processing. Ito ay dahil, kapag ang lapad ng pulso ng laser ay umabot sa antas ng pico2nd o femto2nd, ang impluwensya sa molecular thermal motion ay maaaring iwasan sa isang malaking lawak, na nagreresulta sa mas kaunting thermal na impluwensya.
Halimbawa, kapag pinutol namin ang mga napreserbang itlog gamit ang isang mapurol na kutsilyo sa kusina, madalas naming pinuputol ang mga napreserbang itlog sa maliliit na piraso. Kung pipiliin mo ang isang paraan ng pagputol na may partikular na matalim na gilid ng kutsilyo na mabilis na pumuputol sa gulo, ang mga napreserbang itlog ay pantay-pantay at maganda ang hiwa. Yan ang advantage ng sobrang bilis.
Kahinaan
Ang mga high-end na industriya ng pagmamanupaktura tulad ng mga integrated circuit at panel ay may napakataas na pangangailangan para sa kagamitan sa pagpoproseso ng laser, at may panganib ng mga teknolohikal na tagumpay na hindi naabot sa inaasahan.
Ang presyo ng mga ultra-fast laser ay mataas, at ang paglipat sa isang bagong supplier ng laser ay may panganib na hindi mapalawak ang merkado tulad ng inaasahan para sa parehong mga tagagawa ng kagamitan sa laser at ang pinaka-downstream na mga gumagamit.
