Laser je považován za jeden z největších vynálezů v 20 století. Po skončení tří průmyslových revolucí bude laser klíčem ke čtvrté průmyslové revoluci. Výskyt laseru výrazně podpořil rozvoj průmyslu. Laser se stal nejpokrokovějším a nejpoužívanějším prostředkem při obrábění díky svým výhodám, jako je vysoký výkon, snadné zaostření, vysoký jas a dobrá směrovost. Laserové zpracování má výhody vysoké přesnosti, vysoké rychlosti a nízké ceny. Lze jej automaticky ovládat pomocí počítačového programování. Může zpracovat strukturu s komplexním tvarem. Protože se jedná o bezkontaktní zpracování, nepoškodí materiál a je bezpečný a spolehlivý.
Klasifikace a vlastnosti laserového zpracování
Podle mechanismu interakce mezi laserem a hmotou lze laserové zpracování rozdělit do dvou kategorií: laserové tepelné zpracování a ne-tepelné zpracování. Typy laserů používaných při tepelném a netepelném zpracování jsou různé. Dlouho-pulsní laser nebo kontinuální laser se obvykle používá v tepelném zpracování a ultrashortní pulsní laser, jako je pikosekunda a femtosekunda, se obvykle používá v ne-tepelném zpracování.
Laserové tepelné zpracování využívá tepelný efekt vznikající při laserovém ozařování materiálů. Molekulární systém ozářených materiálů musí neustále získávat energii z laserového záření a přeměňovat ji na svou vlastní vnitřní energii. Teplota ozařované oblasti prudce stoupá, aby se dosáhlo bodu tání a bodu varu materiálů, tání a odstranění, a aby se dosáhlo účelu zpracování. Protože přeměna energie laseru na vnitřní energii molekulárního systému trvá dlouho, často se při tepelném zpracování často používá dlouhý pulzní laser. Tento způsob zpracování je jednoduchý a přímý a široce se používá v průmyslové výrobě, jako je laserové řezání, výroba laserových aditiv atd. Avšak vzhledem k nevyhnutelné tepelné difuzi při zpracování je přesnost a drsnost tepelného zpracování laserem omezená.
Non-tepelné zpracování má používat nelineární efekty (takový jako nelineární ionizace, povrchový rozptyl, etc.) způsobený narušením elektronického systému materiálů, přes přechod a ionization elektronových absorpčních fotonů, fyzikální a chemické vlastnosti Materiály jsou indukovány ke změně, což vede k vytváření některých nových efektů (jako je dvoufotonová polymerace, laserová montáž, atd.), pomocí těchto nových efektů k dosažení zvýšení Účel přesnosti obrábění a optimalizace. Protože výměna energie mezi elektronovým systémem a laserem může být dokončena v jediném okamžiku, ne-tepelné zpracování obvykle používá ultrazvukový pulsní laser. Tato metoda má vysokou přesnost a různé metody zpracování, což je jeden z výzkumných bodů v oblasti laserového zpracování.
Výhody a nevýhody tradičního femtosekundového laserového zpracování
Extrémně vysoký špičkový výkon a extrémně krátké trvání pulsu jsou dvě hlavní výhody femtosekundového laseru. Extrémně vysoký špičkový výkon je dostatečný k vyvolání řady nelineárních efektů, které obohacují metody laserového zpracování. Díky velmi rychlé časové charakteristice je proces interakce mezi femtosekundovým laserem a materiály velmi krátký. Světelná energie absorbovaná laserovou ozařovací oblastí nemůže být ani přenesena do jiných oblastí, aby se zajistilo, že laserová energie může být přesně uložena v rozsahu ozařování a realizovat velmi jemné zpracování.
V současnosti je femtosekundový laser široce používán v oblasti mikro a nano zpracování, zejména včetně přímého laserového zápisu a laserové masky. V důsledku difrakčního limitu obráběcího systému je však nemožné zmenšit oblast laserového záření bez omezení, což omezuje další zlepšení přesnosti obrábění. Současně, vzhledem k různým nelineárním charakteristikám různých materiálů, má zpracování femtosekundovým laserem silnou závislost na materiálech. Stejná metoda zpracování často ukazuje různé efekty zpracování pro různé materiály.
Výhody ultrafialového femtosekundového laserového zpracování
S rozvojem moderního průmyslu roste požadavek na přesnost obrábění a jedním z hlavních faktorů ovlivňujících přesnost obrábění laserem je difrakční limit obráběcího systému. Difrakční limit je fyzický parametr popisující přesnost zobrazování nebo zpracování optického systému. Čím je difrakční limit menší, tím vyšší je přesnost zpracování. Obecně je difrakční limit přímo úměrný vlnové délce dopadajícího světla, takže snížení laserové vlnové délky se stává nejpřímějším a nejúčinnějším prostředkem ke zlepšení difrakčního limitu. Například technologie UV litografie široce používaná v současném průmyslu je zlepšit přesnost zpracování snížením vlnové délky laseru.
UV laser označuje laser, jehož vlnová délka je menší než 380 nm. Ve srovnání s vlnovou délkou běžně používanou femtosekundovým laserem (hlavně v pásmu viditelného světla, 380 nm-760nm) je přesnost zpracování UV femtosekundového laseru vyšší. Současně, díky krátké vlnové délce ultrafialového femtosekundového laseru a velké energii jediného fotonu, mohou fotony přímo přerušit vazebné vazby molekul nebo atomů, což je v podstatě fotochemická reakce, v podstatě bez fenoménu tání, tedy omezující vliv tepelného účinku. Na druhé straně UV pásek je citlivým pásem mnoha polymerů, jako jsou fotorezisty. Tyto polymery vytvoří ozáření ultrafialovým femtosekundovým laserem s účinkem dvou fotonů, což způsobí, že proudící koloid polymerizuje na pevnou látku s vysokou mechanickou pevností. Po zpracování bude fotorezist odplaven a získá se požadovaná struktura. Použitím tohoto principu lze provádět super jemné 3 zpracování struktury D.
Charakteristika a výhody femtosekundového obrábění ve vektorových a vírových polích
Tradiční femtosekundové laserové zpracování se zaměřuje hlavně na energetické charakteristiky laseru. Nelineární účinek materiálů je indukován ultra-vysokou energií femtosekundového laserového pole, aby bylo dosaženo účelu zpracování. V procesu interakce mezi světlem a hmotou dochází nejen k absorpci energie, ale také k výměně hybnosti, což znamená, že nový laserový režim může plně využít jeho výhod v oblasti zpracování femtosekund.
Pole Vector a vír jsou dva z nejtypičtějších nových laserových režimů. Jejich prostorová topologická charakteristika polarizace a fáze způsobuje, že pole má některé zvláštní fyzikální vlastnosti. Například může být vektorové pole konvergováno k ohniskovému bodu za difrakční limit, který je menší, takže přesnost obrábění je vyšší. Na druhé straně, moment hybnosti fotonu nesený samotným polem si může s hmotou vyměnit hybnost. Například vírové světelné pole se strukturou spirálové fáze nese foton orbitální moment hybnosti, který pohání částice k rotaci kolem pevné osy; levotočivé nebo pravotočivé kruhově polarizované světlo nese rotační moment hybnosti fotonu, který může přimět částice k rotaci; vektorové světelné pole, jehož polarizační stav se mění s prostorovou polohou, může ukázat interakci mezi hybnou hybností. Stejným způsobem mohou být charakteristiky hybnosti vektorových a vírových polí také použity ve femtosekundovém laserovém zpracování, jako je použití vírových polí k indukci chirálních struktur, použití vektorových polí k indukci komplexních vzorů atd.
Ve srovnání s tradičním femtosekundovým laserovým zpracováním je vektorová a vířivá pole femtosekundového laserového zpracování produkovaného vysoce výkonným ultrafialovým laserovým systémem s regulovatelnými časoprostorovými charakteristikami způsobena diverzifikace a složitost struktury zpracování. Navrhováním fázového a polarizačního rozdělení světelného pole můžeme získat celou řadu povrchových vzorů a dokonce i komplexní trojrozměrnou topologii. Využití technologie femtosekundového laserového tvarování pulzů kombinované s technologií časově-modulačního světla a technologií zaostřování s časovým odstupem k modulaci ultrarychlého laserového pulsu v časové oblasti a ve frekvenční oblasti a realizace trojrozměrného mikro-nano zpracování a praktické aplikace v různých materiálech . Očekává se, že tyto technologie budou hrát důležitou roli v nové integrované optice a mikro-nanooptice.
Výhody a potenciální aplikace ultrafialového, vektorového a vírového femtosekundového světelného pole
S neustálým rozvojem průmyslu nemůže tradiční technologie zpracování femtosekundového laseru uspokojit rostoucí průmyslovou poptávku, a proto musí být vyvíjena a optimalizována. Technologie UV femtosekundového laserového zpracování je efektivní způsob, jak zlepšit přesnost zpracování a má velkou užitnou hodnotu v průmyslové výrobě. Technologie femtosekundového laserového zpracování vektorového a vírového pole změnila tradiční režim jediného zpracování, díky čemuž je laserové zpracování flexibilnější a rozmanitější. Technologie zpracování UV vektoru a vírového femtosekundového laseru je také praxí a ověřováním teorie interakce mezi světlem a hmotou, což pomáhá odhalit hlubší fyzický mechanismus a má pozitivní vědecký význam.