Laserul este considerat ca fiind una dintre cele mai mari invenții din secolul 20. Odată cu sfârșitul a trei revoluții industriale, laserul va fi cheia pentru a conduce a patra revoluție industrială. Apariția laserului a promovat foarte mult dezvoltarea industriei. Laserul a devenit cel mai avansat și utilizat pe scară largă mijloace în prelucrare, datorită avantajelor sale, ar fi de mare putere, focalizare ușoară, luminozitate ridicată, și directivitate bună. Procesarea cu laser are avantajele de înaltă precizie, de mare viteză, și low-cost. Acesta poate fi controlat automat prin programare pe calculator. Poate procesa structura cu o formă complexă. Deoarece este non-contact de prelucrare, nu va deteriora materialul și este sigur și de încredere.
Clasificarea și caracteristicile prelucrării cu laser
În funcție de mecanismul de interacțiune între laser și materie, prelucrarea cu laser poate fi împărțită în două categorii: procesarea termică cu laser și prelucrarea non-termică. Tipurile de laser utilizate în procesarea termică și procesarea non-termică sunt diferite. Laserul cu impulsuri lungi sau laserul continuu este de obicei utilizat în procesarea termică, iar laserul cu impulsuri ultrascurte, ar fi picosecundele și femtosecundele, este de obicei utilizat în procesarea non-termică.
Prelucrarea termică cu laser utilizează efectul termic produs în procesul de iradiere cu laser a materialelor. Sistemul molecular al materialelor iradiate trebuie să obțină în mod constant energie de la iradierea laser și să o transforme în propria energie internă. Temperatura zonei iradiate crește brusc pentru a atinge punctul de topire și punctul de fierbere al materialelor, topirea și îndepărtarea, și atinge scopul prelucrării. Deoarece este nevoie de o lungă perioadă de timp pentru energia laserului pentru a fi convertite în energia internă a sistemului molecular, laser puls lung este adesea folosit în prelucrarea termică. Această metodă de prelucrare este simplă și directă și a fost utilizată pe scară largă în industria industrială, ar fi tăierea cu laser, fabricarea aditivilor cu laser etc. Cu toate acestea, datorită difuziei termice inevitabile în procesare, precizia și rugozitatea procesării termice cu laser sunt limitate.
Prelucrarea non-termică este de a utiliza efectele neliniare (cum ar fi ionizarea neliniară, împrăștierea suprafeței etc.) cauzate de perturbarea sistemului electronic de materiale, prin tranziția și ionizarea fotonilor absorbției electronilor, proprietățile fizice și chimice ale materialelor sunt induse să se schimbe, ducând astfel la generarea unor efecte noi (cum ar fi polimerizarea cu două fotoni, autoasamblarea cu laser , etc), folosind aceste efecte noi pentru a atinge creșterea Scopul preciziei de prelucrare și de optimizare. Deoarece schimbul de energie între sistemul de electroni și laser poate fi finalizat într-o clipă, procesarea non-termică utilizează de obicei un laser cu puls ultrascurt. Această metodă are o precizie ridicată și diverse metode de prelucrare, care este unul dintre hotspot-urile de cercetare în domeniul prelucrării cu laser.
Avantajele și dezavantajele prelucrării tradiționale cu laser femtosecunde
Ultra-mare de putere de vârf și ultra scurt puls durata sunt două avantaje principale ale laser femtosecunde. Puterea de vârf ultra-mare este suficientă pentru a induce o varietate de efecte neliniare, care îmbogățește metodele de procesare cu laser. Caracteristicile de timp ultra-rapide fac, de asemenea, procesul de interacțiune între laser femtosecunde și materiale foarte scurte. Energia luminoasă absorbită de zona de iradiere laser nu poate fi transferată nici măcar în alte zone, astfel încât să se asigure că energia laser poate fi depozitată cu precizie în gama de iradiere și realiza ți procesarea ultra-fină.
În prezent, laserul femtosecunde a fost utilizat pe scară largă în domeniul prelucrării micro și nano, în principal inclusiv scrierea directă cu laser și masca laser. Cu toate acestea, datorită limitei de difracție a sistemului de prelucrare, este imposibil să se reducă zona de iradiere cu laser, fără limitare, ceea ce limitează îmbunătățirea în continuare a preciziei de prelucrare. În același timp, datorită diferitelor caracteristici neliniare ale diferitelor materiale, prelucrarea cu laser femtosecundă are o dependență puternică de materiale. Aceeași metodă de prelucrare arată adesea diferite efecte de prelucrare pentru diferite materiale.
Avantajele prelucrării cu laser a femtosecundelor ultraviolete
Odată cu dezvoltarea industriei moderne, cerința preciziei de prelucrare este în creștere, iar unul dintre principalii factori care afectează precizia de prelucrare cu laser este limita de difracție a sistemului de prelucrare. Limita de difracție este un parametru fizic care descrie precizia imagistică sau de procesare a unui sistem optic. Cu cât limita de difracție este mai mică, cu atât este mai mare precizia de procesare. În general, limita de difracție este direct proporțională cu lungimea de undă a luminii de incident, astfel încât reducerea lungimii de undă cu laser devine cel mai direct și eficient mijloc de îmbunătățire a limitei de difracție. De exemplu, tehnologia de litografie UV utilizată pe scară largă în industria actuală este de a îmbunătăți precizia de procesare prin reducerea lungimii de undă cu laser.
Laserul UV se referă la laserul a cărui lungime de undă este mai mică de 380nm. Comparativ cu lungimea de undă utilizată în mod obișnuit de laserul femtosecunde (în principal în banda de lumină vizibilă, 380nm-760nm), precizia de prelucrare a laserului femtosecunde UV este mai mare. În același timp, datorită lungimii scurte de undă a laserului femtosecunde ultraviolete și a energiei mari a unui singur foton, fotonii pot tăia direct legăturile de legare a moleculelor sau atomilor, care este în esență o reacție fotochimică, practic fără fenomen de topire, limitând astfel influența efectului termic. Pe de altă parte, banda UV este banda sensibilă a multor polimeri, ar fi fotoreziste. Acești polimeri vor produce un efect de polimerizare cu două fotoni sub iradierea laserului ultraviolet femtosecunde, ceea ce face polimerizarea coloidului care curge într-un solid cu rezistență mecanică ridicată. După prelucrare, fotorezia va fi spălată, iar structura dorită poate fi obținută. Prin utilizarea acestui principiu, se poate efectua o prelucrare a structurii 3D super-fine.
Caracteristici și avantaje ale prelucrării femtosecunde în câmpuri vectoriale și vortex
Prelucrarea tradițională cu laser femtosecunde se concentrează în principal pe caracteristicile energetice ale laserului. Efectul neliniar al materialelor este indus de ultra-mare de energie a câmpului laser femtosecunde, astfel încât să atingă scopul de prelucrare. În procesul de interacțiune între lumină și materie, nu există numai absorbția energiei, ci și schimbul de impuls, ceea ce înseamnă că noul mod laser poate da un joc complet avantajelor sale în domeniul prelucrării femtosecunde.
Câmpul Vector și câmpul vortex sunt două dintre cele mai tipice moduri laser noi. Caracteristicile lor topologice spațiale de polarizare și fază fac ca câmpul să aibă unele proprietăți fizice speciale. De exemplu, câmpul vectorial poate converge la punctul focal dincolo de limita de difracție, care este mai mică ca dimensiune, astfel încât precizia de prelucrare este mai mare. Pe de altă parte, impulsul unghiular foton purtat de câmpul în sine poate face schimb de avânt cu problema. De exemplu, câmpul de lumină vortex cu structură de fază spirală poartă impulsul unghiular orbital foton, care determină particulele să se rotească în jurul axei fixe; lumina polarizată circular ă stângacu dreptaci poartă impulsul unghiular de rotație a fotonilor, care poate induce particulele să se rotească; câmpul de lumină vectorială a cărui stare de polarizare se schimbă odată cu poziția spațială poate afișa interacțiunea dintre impulsul unghiular. În același mod, caracteristicile impulsului câmpurilor vectoriale și vortex pot fi, de asemenea, utilizate în prelucrarea cu laser femtosecundă, ar fi utilizarea câmpurilor vortex pentru a induce structuri chirale, utilizarea câmpurilor vectoriale pentru a induce modele complexe și așa mai departe.
Comparativ cu prelucrarea tradițională cu laser femtosecunde, vectorul și câmpul vortex femtosecunde procesarecu laser produs de sistemul laser ultraviolet de mare putere cu caracteristici controlabile spațiu-timp face structura de prelucrare diversificată și complicată. Prin proiectarea distribuției fazei și polarizării câmpului de lumină, putem obține o varietate de modele de suprafață și chiar topologie tridimensională complexă. Folosind tehnologia de modelare a pulsului laser femtosecundă combinată cu tehnologia de modulare a luminii în timp de spațiu și tehnologia de focalizare spațiu-timp pentru a modula pulsul laser ultrarapid în domeniul timpului și al frecvenței și realizarea prelucrării tridimensionale a micronanonano-nano-ului și aplicarea practică în diferite materiale. Se preconizează că aceste tehnologii vor juca un rol important în noile optici integrate și micro-optica.
Avantaje și aplicații potențiale de câmpuri de lumină ultraviolete, vectoriale și vortex
Odată cu dezvoltarea continuă a industriei, tehnologia tradițională de prelucrare cu laser femtosecond nu poate satisface cererea industrială în creștere, astfel încât trebuie să fie dezvoltate și optimizate. Tehnologia de prelucrare cu laser uv femtosecond este o modalitate eficientă de a îmbunătăți precizia de procesare și are o mare valoare de aplicare în industria de fabricație. Tehnologia de procesare cu laser femtosecond a câmpului vectorial și vortex a schimbat modul tradițional de procesare unică, făcând procesarea cu laser mai flexibilă și mai diversă. În plus, tehnologia de prelucrare cu laser uv vector și vortex femtosecond este, de asemenea, practica și verificarea teoriei interacțiunii dintre lumină și materie, care este utilă pentru a descoperi mecanismul fizic mai profund și are o semnificație științifică pozitivă.