Laseren blir sett på som en av de største oppfinnelsene i det 20 århundre. Etter slutten av tre industrielle revolusjoner vil laseren være nøkkelen til å lede den fjerde industrielle revolusjonen. Fremveksten av laser har i stor grad fremmet utviklingen av industrien. Laseren har blitt det mest avanserte og mye brukte middel i maskinering på grunn av fordelene som høy kraft, lett fokus, høy lysstyrke og god direktivitet. Laserbehandling har fordelene med høy presisjon, høy hastighet og lave kostnader. Det kan styres automatisk ved programmering av datamaskiner. Den kan behandle strukturen med en kompleks form. Fordi det er behandling uten kontakt, vil det ikke skade materialet og er trygt og pålitelig.
Klassifisering og egenskaper ved laserbehandling
I henhold til mekanismen for interaksjon mellom laser og materie, kan laserbehandling deles inn i to kategorier: laser termisk prosessering og ikke-termisk prosessering. Typene laser som brukes i termisk prosessering og ikke-termisk prosessering er forskjellige. Langpuls-laseren eller kontinuerlig laser blir vanligvis brukt i termisk prosessering, og ultrashort-pulslaseren slik som pikosekund og femtosekund blir vanligvis brukt i ikke-termisk prosessering.
Laser termisk prosessering bruker den termiske effekten produsert i prosessen med laserbestråling av materialer. Det bestrålte materialets molekylære system trenger hele tiden å skaffe energi fra laserbestrålingen og konvertere den til sin egen indre energi. Temperaturen i det bestrålte området stiger kraftig for å oppnå smeltepunkt og kokepunkt for materialer, smelte og fjerne, og oppnå formålet med behandlingen. Fordi det tar lang tid før energien til laseren blir konvertert til den indre energien i det molekylære systemet, brukes ofte lang pulslaser i termisk prosessering. Denne prosesseringsmetoden er enkel og direkte og har blitt mye brukt i industriell produksjon, så som laserskjæring, laseradditivfremstilling, etc. På grunn av den uunngåelige termiske diffusjonen i behandlingen, er nøyaktigheten og ujevnheten i laser termisk prosessering begrenset.
Ikke-termisk prosessering er å bruke ikke-lineære effekter (for eksempel ikke-lineær ionisering, overflatespredning, etc.) forårsaket av forstyrrelse av det elektroniske materialsystemet, gjennom overgangen og ioniseringen av elektronabsorpsjonsfotonene, de fysiske og kjemiske egenskapene til materialer blir indusert til å endre seg, og fører dermed til generering av noen nye effekter (for eksempel to-fotonpolymerisasjon, laser-selvmontering osv.), ved å bruke disse nye effektene for å oppnå økningen Formålet med maskinering av nøyaktighet og optimalisering. Fordi energiutvekslingen mellom elektronsystemet og laseren kan fullføres på et øyeblikk, bruker den ikke-termiske behandlingen vanligvis en ultrashort-pulslaser. Denne metoden har høy presisjon og forskjellige behandlingsmetoder, som er en av forskningshotspotene innen laserbehandling.
Fordeler og ulemper ved tradisjonell femtosekunders laserbehandling
Ultrahøy toppeffekt og ultra kort pulsvarighet er to hovedfordeler med femtosecond laser. Den ultrahøye toppeffekten er nok til å indusere en rekke ulineære effekter, som beriker laserbehandlingsmetodene. De ultrasnelle tidsegenskapene gjør også samhandlingsprosessen mellom femtosecond laser og materialer veldig kort. Lysenergien som absorberes av laserbestrålingsområdet, kan ikke en gang overføres til andre områder, for å sikre at laserenergien kan bli nøyaktig avsatt i bestrålingsområdet og oppnå ultra-fin prosessering.
For tiden har femtosecond-laseren blitt mye brukt innen mikro- og nano-prosessering, hovedsakelig inkludert laserskriving og lasermaske. På grunn av diffraksjonsgrensen til maskineringssystemet er det imidlertid umulig å redusere laserbestrålingsområdet uten begrensning, noe som begrenser den videre forbedringen av maskineringsnøyaktigheten. På grunn av de forskjellige ikke-lineære egenskapene til forskjellige materialer har femtosekunders laserbehandling samtidig en sterk avhengighet av materialer. Den samme behandlingsmetoden viser ofte forskjellige behandlingseffekter for forskjellige materialer.
Fordeler med ultrafiolett femtosekunders laserbehandling
Med utviklingen av moderne industri øker kravet til maskineringsnøyaktighet, og en av hovedfaktorene som påvirker lasermaskineringsnøyaktigheten er diffraksjonsgrensen til maskineringssystemet. Diffraksjonsgrensen er en fysisk parameter som beskriver bildebehandling eller prosesseringsnøyaktighet til et optisk system. Jo mindre diffraksjonsgrense er, jo høyere er prosessens nøyaktighet. Generelt er diffraksjonsgrensen direkte proporsjonal med bølgelengden til det innfallende lyset, så reduksjon av laserbølgelengden blir det mest direkte og effektive middel for å forbedre diffraksjonsgrensen. For eksempel er UV-litografiteknologien som er mye brukt i dagens industri for å forbedre prosessens nøyaktighet ved å redusere laserbølgelengden.
UV-laser refererer til laseren hvis bølgelengde er mindre enn 380 nm. Sammenlignet med bølgelengden som vanligvis brukes av femtosecond laser (hovedsakelig i det synlige lysbåndet, 380 nm-760nm), er prosesseringsnøyaktigheten til UV femtosecond-laser høyere. På grunn av den korte bølgelengden til den ultrafiolette femtosekundslaseren og den store energien til et enkelt foton, kan fotoner samtidig kutte bindingsbindingene til molekyler eller atomer, som egentlig er en fotokjemisk reaksjon, i utgangspunktet uten smeltefenomen. begrense påvirkningen av termisk effekt. På den annen side er UV-båndet det følsomme båndet til mange polymerer, for eksempel fotoresister. Disse polymerene vil produsere en to-foton polymerisasjonseffekt under bestråling av ultrafiolett femtosekundslaser, noe som får den flytende kolloidpolymerisasjonen til et fast stoff med høy mekanisk styrke. Etter prosessering vil fotoresisten bli vasket bort, og ønsket struktur kan oppnås. Ved å bruke dette prinsippet kan superfin 3 D-strukturbehandling utføres.
Kjennetegn og fordeler ved femtosekundbearbeiding i vektor- og virvelfelt
Den tradisjonelle behandlingen av femtosekunders laser fokuserer hovedsakelig på energikarakteristikkene til laseren. Den ikke-lineære effekten av materialer induseres av den ultra-høye energien fra femtosekunders laserfelt, for å oppnå formålet med prosesseringen. I prosessen med interaksjon mellom lys og materie, er det ikke bare absorpsjon av energi, men også utveksling av fart, noe som betyr at den nye lasermodusen kan gi full spill til fordelene innen feltbehandling i femtosekundet.
Vektorfeltet og virvelfeltet er to av de mest typiske nye lasermodiene. Deres romlige topologiske egenskaper ved polarisering og fase gjør at feltet har noen spesielle fysiske egenskaper. For eksempel kan vektorfeltet konvergere til fokuspunktet utover diffraksjonsgrensen, som er mindre i størrelse, så maskineringsnøyaktigheten er høyere. På den annen side kan fotonvinkelmomentet som bæres av selve feltet utveksle fart med saken. For eksempel bærer virvellysfeltet med spiralfasestruktur fotonbanens vinkelmoment, som får partiklene til å rotere rundt den faste aksen; det venstrehånds eller høyrehendte sirkulært polariserte lyset bærer fotonspinnvinkelmomentet, som kan få partiklene til å rotere; vektorlysfeltet hvis polariseringstilstand endres med den romlige posisjonen kan vise samspillet mellom vinkelmomentet. På samme måte kan momentumegenskapene til vektor- og virvelfelter også brukes i femtosekunders laserbehandling, for eksempel bruk av virvelfelt for å indusere chirale strukturer, bruk av vektorfelt for å indusere komplekse mønstre og så videre.
Sammenlignet med den tradisjonelle femtosekund laserbehandlingen, gjør vektor- og virvelfelt-femtosekund laserbehandlingen produsert av det høye kraftige ultrafiolette lasersystemet med kontrollerbare rom-tid egenskaper ved prosesseringsstrukturen diversifisert og komplisert. Ved å utforme fase- og polarisasjonsfordelingen av lysfeltet, kan vi få en rekke overflatemønstre og til og med kompleks tredimensjonal topologi. Bruke femtosecond laserpulsformingsteknologi kombinert med rom-tid lysmoduleringsteknologi og rom-tid fokuseringsteknologi for å modulere den ultra raske laserpulsen i tidsdomenet og frekvensområdet, og realisere den tredimensjonale mikro-nano-prosessering og praktisk anvendelse i forskjellige materialer . Disse teknologiene forventes å spille en viktig rolle i ny integrert optikk og mikro nano-optikk.
Fordeler og potensielle bruksområder for lysfelt ultrafiolett, vektor og virvel femtosekund
Med den kontinuerlige utviklingen av industrien kan den tradisjonelle femtosekunders laserprosesseringsteknologien ikke møte den økende industrielle etterspørselen, så den må utvikles og optimaliseres. UV femtosekund laserbehandlingsteknologi er en effektiv måte å forbedre prosessens nøyaktighet og har stor bruksverdi i industriell produksjon. Femtosekunders laserprosesseringsteknologi for vektor- og virvelfelt har endret den tradisjonelle enkeltbehandlingsmodusen, noe som gjør laserbehandlingen mer fleksibel og mangfoldig. I tillegg er UV-vektor og vortex femtosekund laserbehandlingsteknologi også praksis og verifisering av teorien om samspillet mellom lys og materie, noe som er nyttig for å avsløre den dypere fysiske mekanismen og har positiv vitenskapelig betydning.