Định nghĩa
Laser siêu nhanh là loại laser xung cực ngắn cực mạnh có độ rộng xung nhỏ hơn hoặc trong mức pico2nd (10-12s), được định nghĩa dựa trên dạng sóng năng lượng đầu ra. Định nghĩa này liên quan đến "hiện tượng siêu nhanh". Hiện tượng siêu nhanh đề cập đến hiện tượng xảy ra trong quá trình vật lý, hóa học hoặc sinh học thay đổi nhanh chóng trong hệ thống vật chất vi mô. Trong hệ thống nguyên tử và phân tử, thang thời gian chuyển động của các nguyên tử và phân tử là theo thứ tự pico giây đến femto giây. Ví dụ, chu kỳ quay phân tử là theo thứ tự pico giây và chu kỳ rung động là theo thứ tự femto giây. Khi độ rộng xung laser đạt đến mức pico2nd hoặc femto giây, nó có thể tránh được phần lớn ảnh hưởng đến chuyển động nhiệt tổng thể của các phân tử (chuyển động nhiệt của các phân tử là bản chất vi mô của nhiệt độ vật chất), và vật liệu được tạo ra theo thang thời gian của rung động phân tử. Ảnh hưởng, do đó trong khi đạt được mục đích xử lý, hiệu ứng nhiệt giảm đáng kể.
Các loại
Có nhiều phương pháp phân loại laser, trong đó có 4 phương pháp được sử dụng phổ biến nhất, bao gồm phân loại theo vật liệu làm việc, phân loại theo dạng sóng năng lượng đầu ra (chế độ làm việc), phân loại theo bước sóng đầu ra (màu sắc) và phân loại theo công suất.
Trong số đó, theo dạng sóng năng lượng đầu ra, laser có thể được chia thành laser liên tục, laser xung và laser bán liên tục:
Laser liên tục
Đây là loại laser liên tục phát ra dạng sóng năng lượng ổn định trong giờ làm việc. Nó được đặc trưng bởi công suất cao và có thể xử lý các vật liệu có khối lượng lớn và điểm nóng chảy cao, chẳng hạn như tấm kim loại.
Laser xung
Nó phát ra năng lượng dưới dạng xung. Theo độ rộng xung, nó có thể được chia thành laser milli2nd, laser micro2nd, thiết bị tắt nano2nd, laser pico2nd, laser femto2nd và laser atto2nd; ví dụ, nếu laser xung Độ rộng xung của laser đầu ra nằm trong khoảng 1-1000ns, mà chúng ta gọi là laser nano2nd, v.v. Chúng ta gọi là laser pico2nd, laser femto2nd, laser atto2nd và laser siêu nhanh. Công suất của laser xung thấp hơn nhiều so với laser liên tục, nhưng độ chính xác xử lý cao hơn laser liên tục và nói chung, độ rộng xung càng hẹp thì độ chính xác xử lý càng cao.
Laser Quasi-CW
Nó có thể liên tục phát ra tia laser năng lượng tương đối cao trong một khoảng thời gian nhất định và về mặt lý thuyết, nó cũng là tia laser xung.
Dạng sóng năng lượng đầu ra của 3 loại laser trên cũng có thể được mô tả bằng tham số "chu kỳ hoạt động". Đối với laser, chu kỳ hoạt động có thể được hiểu là tỷ lệ thời gian năng lượng đầu ra của laser so với tổng thời gian trong một chu kỳ xung.
Chu kỳ hoạt động của laser CW (=1) > chu kỳ hoạt động của laser CW gần đúng > chu kỳ hoạt động của laser xung. Nhìn chung, độ rộng xung của laser xung càng hẹp thì chu kỳ hoạt động càng thấp.
Trong lĩnh vực gia công vật liệu, laser xung ban đầu là sản phẩm chuyển tiếp của laser liên tục. Điều này là do công suất đầu ra của laser liên tục không thể rất cao do ảnh hưởng của các yếu tố như khả năng chịu lực của các thành phần lõi và trình độ công nghệ trong giai đoạn đầu, và vật liệu không thể được nung nóng đến điểm nóng chảy. Những điều trên đạt được mục đích gia công. Nếu sử dụng một số phương tiện kỹ thuật nhất định để tập trung năng lượng đầu ra của laser vào một xung duy nhất, do đó mặc dù tổng công suất của laser không thay đổi, nhưng công suất tức thời tại thời điểm xung được tăng lên rất nhiều, đáp ứng các yêu cầu gia công vật liệu. Sau đó, công nghệ laser liên tục dần hoàn thiện và người ta thấy rằng laser xung có ưu điểm lớn về độ chính xác gia công. Điều này là do hiệu ứng nhiệt của laser xung lên vật liệu nhỏ hơn và độ rộng xung laser càng hẹp thì hiệu ứng nhiệt càng nhỏ và cạnh của vật liệu được gia công càng mịn, độ chính xác gia công tương ứng càng cao.
Các thành phần
2 yêu cầu cốt lõi của laser siêu nhanh: xung siêu ngắn có độ ổn định cao và năng lượng xung cao. Nhìn chung, xung siêu ngắn có thể thu được bằng cách sử dụng công nghệ khóa chế độ và năng lượng xung cao có thể thu được bằng cách sử dụng công nghệ khuếch đại CPA. Các thành phần cốt lõi liên quan bao gồm bộ dao động, bộ kéo giãn, bộ khuếch đại và bộ nén. Trong số đó, công nghệ dao động và bộ khuếch đại là khó nhất và chúng cũng là công nghệ cốt lõi của một công ty sản xuất laser siêu nhanh.
Oscillator
Trong bộ dao động, các xung laser cực nhanh được tạo ra bằng cách sử dụng kỹ thuật khóa chế độ.
người kéo ra
Bộ căng giãn các xung hạt femto2nd tách ra theo thời gian theo các bước sóng khác nhau.
amplifier
Một bộ khuếch đại chirp được sử dụng để cung cấp năng lượng đầy đủ cho xung kéo dài này.
Máy nén
Bộ nén kết hợp các quang phổ khuếch đại của các thành phần khác nhau và khôi phục chúng theo độ rộng femto2nd, do đó tạo ra các xung laser femto2nd với công suất tức thời cực cao.
Ứng dụng
So với laser nano2nd và milli2nd, mặc dù công suất tổng thể của laser siêu nhanh thấp hơn, nhưng vì nó tác động trực tiếp vào thang thời gian của dao động phân tử vật liệu nên nó thực hiện "xử lý lạnh" theo đúng nghĩa đen, do đó độ chính xác của quá trình xử lý được cải thiện rất nhiều.
Do các đặc điểm khác nhau, laser liên tục công suất cao, laser xung không siêu nhanh và laser siêu nhanh có sự khác biệt lớn trong các lĩnh vực ứng dụng hạ nguồn:
Laser liên tục công suất cao (và laser gần liên tục) được sử dụng để cắt, thiêu kết, sự hàn, ốp bề mặt, khoan, 3D in vật liệu kim loại.
Tia laser xung không siêu nhanh được sử dụng để đánh dấu các vật liệu phi kim loại, xử lý các vật liệu silicon, khắc chính xác bề mặt kim loại, làm sạch bề mặt kim loại, hàn chính xác kim loại, gia công vi mô kim loại.
Tia laser cực nhanh được sử dụng để cắt và hàn các vật liệu trong suốt như kính, PET và sapphire cũng như các vật liệu cứng và giòn, đánh dấu chính xác, phẫu thuật nhãn khoa, thụ động hóa vi mô và khắc vật liệu.
Theo quan điểm sử dụng, laser CW công suất cao và laser siêu nhanh hầu như không có mối quan hệ thay thế lẫn nhau. Chúng giống như rìu và nhíp, và kích thước của chúng có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Các ứng dụng hạ lưu của laser xung không siêu nhanh có một số chồng chéo với laser liên tục và laser siêu nhanh. Từ kết quả thực tế, trong cùng một ứng dụng, công suất của nó không tốt bằng laser liên tục và độ chính xác của nó không tốt bằng laser siêu nhanh. Nổi bật hơn là hiệu suất chi phí.
Đặc biệt là tia laser cực tím nano2nd, mặc dù độ rộng xung của nó không đạt đến cấp độ pico2nd, nhưng độ chính xác xử lý được cải thiện rất nhiều so với các tia laser nano2nd màu khác, nó đã được sử dụng rộng rãi trong quá trình xử lý và sản xuất các sản phẩm 3C. Trong tương lai, khi chi phí của tia laser cực nhanh giảm xuống, nó có thể chiếm lĩnh thị trường tia cực tím nano2nd.
Laser siêu nhanh thực hiện quá trình gia công lạnh theo nghĩa thực tế và có những ưu điểm đáng kể trong quá trình gia công chính xác. Khi công nghệ sản xuất laser siêu nhanh dần hoàn thiện, chi phí cũng dần giảm xuống. Trong tương lai, dự kiến sẽ được sử dụng rộng rãi trong y sinh học, hàng không vũ trụ, điện tử tiêu dùng, màn hình chiếu sáng, môi trường năng lượng, máy móc chính xác và các ngành công nghiệp hạ nguồn khác.
Thẩm mỹ y tế
Laser siêu nhanh có thể được sử dụng trong thiết bị phẫu thuật mắt y tế và thiết bị thẩm mỹ. Laser Femto2nd được sử dụng trong phẫu thuật cận thị và được gọi là "một cuộc cách mạng khác trong phẫu thuật khúc xạ" sau công nghệ quang sai mặt sóng. Trục mắt của bệnh nhân cận thị lớn hơn trục mắt bình thường, do đó trong trạng thái thư giãn nhãn cầu, tiêu điểm của các tia sáng song song sau khi khúc xạ bởi hệ thống khúc xạ của mắt sẽ rơi vào phía trước võng mạc. Phẫu thuật laser Femto2nd có thể loại bỏ cơ thừa ở chiều trục và khôi phục khoảng cách trục trở lại bình thường. Phẫu thuật laser Femto2nd có ưu điểm là độ chính xác cao, độ an toàn cao, độ ổn định cao, thời gian phẫu thuật ngắn và thoải mái cao, và đã trở thành một trong những phương pháp phẫu thuật cận thị chính thống nhất.
Về mặt làm đẹp, tia laser cực nhanh có thể được sử dụng để loại bỏ sắc tố và nốt ruồi tự nhiên, xóa hình xăm và cải thiện tình trạng lão hóa da.
Điện tử
Laser siêu nhanh thích hợp cho quá trình gia công vật liệu cứng và giòn trong suốt, gia công màng mỏng, đánh dấu chính xác, v.v. trong quá trình sản xuất thiết bị điện tử tiêu dùng. Kính cường lực điện thoại di động và sapphire là vật liệu cứng, giòn và trong suốt tiêu biểu trong nguyên liệu điện tử tiêu dùng, đặc biệt là sapphire, do độ cứng và độ giòn cao nên hiệu suất và tỷ lệ năng suất của các phương pháp gia công truyền thống rất thấp; sapphire hiện được sử dụng rộng rãi. Nó được sử dụng rộng rãi trong đồng hồ thông minh, vỏ máy ảnh điện thoại di động, vỏ mô-đun vân tay, v.v.; laser cực tím nano2nd và laser cực nhanh là phương tiện kỹ thuật chính để cắt sapphire hiện nay và hiệu quả xử lý của laser cực nhanh tốt hơn laser cực tím nano2nd. Ngoài ra, các phương pháp xử lý được sử dụng bởi các mô-đun máy ảnh và mô-đun vân tay chủ yếu là laser nano2nd và pico2nd. Đối với việc cắt màn hình điện thoại di động linh hoạt (màn hình có thể gập lại) và tương ứng 3D Trong tương lai, công nghệ chủ đạo có thể sẽ là tia laser siêu nhanh.
Laser siêu nhanh cũng có những ứng dụng quan trọng trong sản xuất tấm nền. Laser siêu nhanh có thể được sử dụng để cắt các tấm phân cực OLED, bóc tách và sửa chữa trong quá trình sản xuất LCD/OLED.
Đối với OLED, vật liệu polyme của nó đặc biệt nhạy cảm với ảnh hưởng nhiệt. Ngoài ra, kích thước và khoảng cách của các ô hiện đang được sản xuất rất nhỏ và kích thước xử lý còn lại cũng rất nhỏ. Quy trình cắt khuôn truyền thống như trước đây không còn phù hợp với ngày nay nữa. Nhu cầu sản xuất của ngành công nghiệp và hiện nay có các yêu cầu ứng dụng đối với màn hình có hình dạng đặc biệt và màn hình đục lỗ, vượt quá khả năng của các nghề thủ công truyền thống. Theo cách này, lợi ích của laser siêu nhanh được phản ánh, đặc biệt là laser cực tím pico2nd hoặc thậm chí là laser femto2nd, có vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ và phù hợp hơn với các ứng dụng linh hoạt hơn như xử lý đường cong.
Hàn vi mô
Đối với môi trường rắn trong suốt như thủy tinh, nhiều hiện tượng như hấp thụ phi tuyến tính, hư hỏng do nóng chảy, hình thành plasma, cắt bỏ và lan truyền sợi sẽ xảy ra khi laser xung cực ngắn lan truyền trong môi trường. Hình minh họa nhiều hiện tượng xảy ra trong tương tác giữa laser xung cực ngắn và vật liệu rắn ở các mật độ công suất và thang thời gian khác nhau.
Vì công nghệ hàn vi mạch laser xung cực ngắn không cần chèn lớp trung gian, hiệu suất cao, độ chính xác cao, không có hiệu ứng nhiệt vĩ mô, sau khi xử lý hàn vi mạch có tính chất cơ học và quang học tương đối lý tưởng, rất phù hợp để hàn vi mạch các vật liệu trong suốt như thủy tinh. Ví dụ, các nhà nghiên cứu đã hàn thành công các đầu mút vào sợi quang tiêu chuẩn và có cấu trúc vi mô bằng cách sử dụng xung 70 fs, 250 kHz.
Chiếu sáng màn hình
Ứng dụng của laser siêu nhanh trong lĩnh vực chiếu sáng màn hình chủ yếu đề cập đến việc khắc và cắt các tấm wafer LED. Đây là một ví dụ khác về laser siêu nhanh phù hợp để xử lý các vật liệu cứng và giòn. Xử lý laser siêu nhanh có độ phẳng mặt cắt ngang cao và giảm đáng kể tình trạng sứt cạnh. Hiệu quả và độ chính xác được cải thiện đáng kể.
Năng lượng quang điện
Laser siêu nhanh có không gian ứng dụng rộng rãi trong sản xuất pin quang điện. Ví dụ, trong sản xuất pin màng mỏng CIGS, laser siêu nhanh có thể thay thế quy trình khắc cơ học ban đầu và cải thiện đáng kể chất lượng khắc, đặc biệt là đối với các liên kết khắc P2 và P3, có thể đạt được hầu như không bị sứt mẻ và không có vết nứt và ứng suất dư.
Không gian vũ trụ
Để cải thiện hiệu suất và tuổi thọ của cánh tua bin, sau đó cải thiện hiệu suất của động cơ, cần phải áp dụng công nghệ làm mát màng khí, đưa ra yêu cầu cực kỳ cao đối với công nghệ xử lý lỗ màng khí. Năm 2018, Viện Quang học và Cơ học Tây An đã phát triển năng lượng xung đơn cao nhất tại Trung Quốc. Laser sợi quang femto26nd cấp công nghiệp 2 watt và phát triển một loạt thiết bị sản xuất cực nhanh bằng laser, đạt được bước đột phá trong "xử lý lạnh" các lỗ màng khí trên cánh tua bin động cơ máy bay, lấp đầy khoảng trống trong nước. Phương pháp xử lý này tiên tiến hơn EDM Độ chính xác của phương pháp cao hơn và tỷ lệ năng suất được cải thiện rất nhiều.
Tia laser siêu nhanh cũng có thể được áp dụng để gia công chính xác các vật liệu composite gia cố sợi và việc cải thiện độ chính xác của gia công sẽ giúp mở rộng ứng dụng của các vật liệu composite như sợi carbon trong ngành hàng không vũ trụ và các lĩnh vực cao cấp khác.
Lĩnh vực nghiên cứu
Công nghệ trùng hợp 2 photon (2PP) là một "nano-quang học" 3D phương pháp in, tương tự như công nghệ tạo mẫu nhanh bằng ánh sáng, và nhà tương lai học Christopher Barnatt tin rằng công nghệ này có thể trở thành một hình thức chính thống 3D in ấn trong tương lai. Nguyên lý của công nghệ trùng hợp 2 photon là xử lý nhựa nhạy sáng một cách chọn lọc bằng cách sử dụng "laser xung femto2nd". Nghe có vẻ giống như quá trình tạo mẫu nhanh bằng quang hóa, điểm khác biệt là độ dày lớp tối thiểu và độ phân giải trục XY mà công nghệ trùng hợp 2 photon có thể đạt được nằm trong khoảng từ 100 nm đến 200 nm. Nói cách khác, 2PP 3D Công nghệ in có độ chính xác cao hơn hàng trăm lần so với công nghệ đúc quang học truyền thống và sản phẩm in có kích thước nhỏ hơn cả vi khuẩn.
Hiện tại, giá của laser siêu nhanh vẫn còn tương đối đắt. Là người tiên phong trong ngành, STYLECNC đã sản xuất thiết bị xử lý laser siêu nhanh và đã đạt được phản hồi tốt từ thị trường. Thiết bị cắt laser chính xác cho các mô-đun OLED dựa trên công nghệ laser siêu nhanh, thiết bị đánh dấu laser siêu nhanh (pico giây/femto giây), thiết bị xử lý laser vát cạnh kính cho màn hình hiển thị hồng ngoại pico2nd và tấm kính hồng ngoại pico2nd đã được ra mắt thiết bị cắt laser, máy cắt vô hình tự động LED, tấm bán dẫn Máy cắt laser, thiết bị cắt nắp kính cho mô-đun nhận dạng dấu vân tay, dây chuyền sản xuất hàng loạt màn hình linh hoạt và một loạt các sản phẩm laser siêu nhanh.
Ưu và nhược điểm
Ưu điểm
Laser siêu nhanh là một trong những hướng phát triển quan trọng trong lĩnh vực laser. Là một công nghệ mới nổi, nó có những lợi thế đáng kể trong gia công vi mô chính xác. Xung cực ngắn do laser siêu nhanh tạo ra tương tác với vật liệu trong thời gian rất ngắn và sẽ không truyền nhiệt cho các vật liệu xung quanh, vì vậy quá trình xử lý laser siêu nhanh cũng được gọi là xử lý lạnh. Điều này là do khi độ rộng xung laser đạt đến mức pico2nd hoặc femto2nd, có thể tránh được ảnh hưởng đến chuyển động nhiệt phân tử ở mức độ lớn, dẫn đến ảnh hưởng nhiệt ít hơn.
Ví dụ, khi chúng ta cắt trứng muối bằng dao bếp cùn, chúng ta thường cắt trứng muối thành từng miếng nhỏ. Nếu bạn chọn phương pháp cắt có lưỡi dao đặc biệt sắc bén, cắt nhanh, trứng muối sẽ được cắt đều và đẹp. Đó là lợi thế của việc siêu nhanh.
Nhược điểm
Các ngành sản xuất cao cấp như mạch tích hợp và bảng điều khiển có yêu cầu cực kỳ cao về thiết bị xử lý laser và có nguy cơ đột phá về công nghệ không đạt được kỳ vọng.
Giá của laser siêu nhanh rất cao và việc chuyển sang nhà cung cấp laser mới có nguy cơ không mở rộng được thị trường như mong đợi cho cả nhà sản xuất thiết bị laser và những người dùng hạ nguồn.
