Der Laser gilt als eine der größten Erfindungen des 20. Jahrhunderts. Mit dem Ende von drei industriellen Revolutionen wird der Laser der Schlüssel zur Führung der vierten industriellen Revolution sein. Das Aufkommen des Lasers hat die Entwicklung der Branche erheblich vorangetrieben. Der Laser hat sich aufgrund seiner Vorteile wie hoher Leistung, einfacher Fokussierung, hoher Helligkeit und guter Richtwirkung zum fortschrittlichsten und am weitesten verbreiteten Mittel in der Bearbeitung entwickelt. Die Laserbearbeitung bietet die Vorteile hoher Präzision, hoher Geschwindigkeit und niedriger Kosten. Es kann automatisch durch Computerprogrammierung gesteuert werden. Es kann die Struktur mit einer komplexen Form bearbeiten. Da es sich um eine berührungslose Verarbeitung handelt, wird das Material nicht beschädigt und es ist sicher und zuverlässig.
Klassifizierung und Eigenschaften der Laserbearbeitung
Entsprechend dem Mechanismus der Wechselwirkung zwischen Laser und Materie kann die Laserbearbeitung in zwei Kategorien unterteilt werden: thermische Laserbearbeitung und nicht{0}}thermische Bearbeitung. Die bei der thermischen und nicht-thermischen Bearbeitung verwendeten Lasertypen sind unterschiedlich. Der Langpulslaser oder Dauerlaser wird üblicherweise bei der thermischen Bearbeitung verwendet, und der Ultrakurzpulslaser wie Pikosekunden- und Femtosekundenlaser wird üblicherweise bei der nicht-thermischen Bearbeitung eingesetzt.
Der ultraschnelle Zweig dieser Familie wird in unserem Artikel weiter erläutertultraschnelle Laserbearbeitungstechnologie.
Die thermische Laserbearbeitung nutzt den thermischen Effekt, der bei der Laserbestrahlung von Materialien entsteht. Das molekulare System der bestrahlten Materialien muss ständig Energie aus der Laserbestrahlung gewinnen und diese in seine eigene innere Energie umwandeln. Die Temperatur des bestrahlten Bereichs steigt stark an, um den Schmelz- und Siedepunkt der Materialien zu erreichen, zu schmelzen und zu entfernen und den Zweck der Verarbeitung zu erreichen. Da es lange dauert, bis die Energie des Lasers in die innere Energie des molekularen Systems umgewandelt wird, werden bei der thermischen Bearbeitung häufig Langpulslaser eingesetzt. Diese Bearbeitungsmethode ist einfach und direkt und wird häufig in der industriellen Fertigung eingesetzt, beispielsweise beim Laserschneiden, bei der additiven Laserfertigung usw. Aufgrund der unvermeidlichen Wärmediffusion bei der Bearbeitung sind jedoch die Genauigkeit und Rauheit der thermischen Laserbearbeitung begrenzt.
Bei der nicht{0}}thermischen Verarbeitung werden nichtlineare Effekte (z. B. nichtlineare Ionisierung, Oberflächenstreuung usw.) genutzt, die durch die Störung des elektronischen Systems von Materialien verursacht werden. Durch den Übergang und die Ionisierung der Elektronenabsorptionsphotonen werden die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Materialien verändert, was zur Erzeugung einiger neuartiger Effekte (z. B. Zwei-Photonen-Polymerisation, Laser-Selbstorganisation usw.) führt und diese neuartigen Effekte nutzt, um den Zweck zu erreichen der Bearbeitungsgenauigkeit und -optimierung. Da der Energieaustausch zwischen dem Elektronensystem und dem Laser in einem Augenblick abgeschlossen werden kann, wird bei der nicht-thermischen Bearbeitung üblicherweise ein Ultrakurzpulslaser eingesetzt. Dieses Verfahren verfügt über eine hohe Präzision und verschiedene Bearbeitungsmethoden und ist einer der Forschungsschwerpunkte auf dem Gebiet der Laserbearbeitung.
Vor- und Nachteile der herkömmlichen Femtosekundenlaserbearbeitung
Ultra-hohe Spitzenleistung und ultrakurze Pulsdauer sind zwei Hauptvorteile des Femtosekundenlasers. Die ultrahohe Spitzenleistung reicht aus, um eine Vielzahl nichtlinearer Effekte hervorzurufen, was die Laserbearbeitungsmethoden bereichert. Die ultraschnellen Zeiteigenschaften machen zudem den Interaktionsprozess zwischen Femtosekundenlaser und Materialien sehr kurz. Die vom Laserbestrahlungsbereich absorbierte Lichtenergie kann nicht einmal auf andere Bereiche übertragen werden, um sicherzustellen, dass die Laserenergie präzise im Bestrahlungsbereich deponiert werden kann und eine ultrafeine Bearbeitung ermöglicht wird.
Gehen Sie einen Schritt kürzer als Femtosekunden und lernen Sie dasFunktionsprinzip des gepulsten Attosekundenlasers.
Gegenwärtig wird der Femtosekundenlaser häufig im Bereich der Mikro- und Nanobearbeitung eingesetzt, hauptsächlich einschließlich Laserdirektschreiben und Lasermaske. Aufgrund der Beugungsgrenze des Bearbeitungssystems ist es jedoch nicht möglich, die Laserbestrahlungsfläche unbegrenzt zu reduzieren, was die weitere Verbesserung der Bearbeitungsgenauigkeit einschränkt. Gleichzeitig ist die Femtosekundenlaserbearbeitung aufgrund der unterschiedlichen nichtlinearen Eigenschaften verschiedener Materialien stark materialabhängig. Die gleiche Verarbeitungsmethode zeigt häufig unterschiedliche Verarbeitungseffekte für unterschiedliche Materialien.
Vorteile der ultravioletten Femtosekundenlaserbearbeitung
Mit der Entwicklung der modernen Industrie steigen die Anforderungen an die Bearbeitungsgenauigkeit, und einer der Hauptfaktoren, die die Laserbearbeitungsgenauigkeit beeinflussen, ist die Beugungsgrenze des Bearbeitungssystems. Die Beugungsgrenze ist ein physikalischer Parameter, der die Abbildungs- oder Verarbeitungsgenauigkeit eines optischen Systems beschreibt. Je kleiner die Beugungsgrenze ist, desto höher ist die Verarbeitungsgenauigkeit. Im Allgemeinen ist die Beugungsgrenze direkt proportional zur Wellenlänge des einfallenden Lichts, sodass die Reduzierung der Laserwellenlänge das direkteste und effektivste Mittel zur Verbesserung der Beugungsgrenze ist. Beispielsweise dient die in der heutigen Industrie weit verbreitete UV-Lithographietechnologie dazu, die Bearbeitungsgenauigkeit durch Reduzierung der Laserwellenlänge zu verbessern.
Unter UV-Laser versteht man Laser, deren Wellenlänge weniger als 380 nm beträgt. Verglichen mit der Wellenlänge, die üblicherweise von Femtosekundenlasern verwendet wird (hauptsächlich im sichtbaren Lichtband, 380 nm-760 nm), ist die Verarbeitungsgenauigkeit des UV-Femtosekundenlasers höher. Gleichzeitig können Photonen aufgrund der kurzen Wellenlänge des ultravioletten Femtosekundenlasers und der großen Energie eines einzelnen Photons die Bindungsbindungen von Molekülen oder Atomen direkt auftrennen, was im Wesentlichen eine photochemische Reaktion ist, im Wesentlichen ohne Schmelzphänomen, wodurch der Einfluss des thermischen Effekts begrenzt wird. Andererseits ist das UV-Band das empfindliche Band vieler Polymere, beispielsweise Fotolacke. Diese Polymere erzeugen unter der Bestrahlung mit einem ultravioletten Femtosekundenlaser einen Zwei-Photonen-Polymerisationseffekt, der das fließende Kolloid zu einem Feststoff mit hoher mechanischer Festigkeit polymerisieren lässt. Nach der Bearbeitung wird der Fotolack abgewaschen und die gewünschte Struktur kann erhalten werden. Durch die Anwendung dieses Prinzips kann eine superfeine 3D-Strukturbearbeitung durchgeführt werden.
Vergleichen Sie die praktischen Konsequenzen, wenn Sie sich für das eine gegenüber dem anderen entscheidenUnterschied zwischen UV- und Infrarotlaser.
Eigenschaften und Vorteile der Femtosekundenbearbeitung in Vektor- und Wirbelfeldern
Die traditionelle Femtosekundenlaserbearbeitung konzentriert sich hauptsächlich auf die Energieeigenschaften des Lasers. Der nichtlineare Effekt von Materialien wird durch die ultra-hohe-Energie des Femtosekundenlaserfelds induziert, um den Zweck der Verarbeitung zu erreichen. Bei der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie kommt es nicht nur zur Absorption von Energie, sondern auch zum Austausch von Impulsen, sodass der neue Lasermodus seine Vorteile im Bereich der Femtosekundenverarbeitung voll ausspielen kann.
Das Vektorfeld und das Wirbelfeld sind zwei der typischsten neuen Lasermodi. Ihre räumlichen topologischen Eigenschaften der Polarisation und Phase verleihen dem Feld einige besondere physikalische Eigenschaften. Beispielsweise kann das Vektorfeld über die Beugungsgrenze hinaus zum Brennfleck konvergieren, der kleiner ist, sodass die Bearbeitungsgenauigkeit höher ist. Andererseits kann der vom Feld selbst getragene Photonendrehimpuls Impulse mit der Materie austauschen. Beispielsweise trägt das Wirbellichtfeld mit spiralförmiger Phasenstruktur den Bahndrehimpuls des Photons, der die Teilchen zur Rotation um die feste Achse antreibt; das links-drehende oder rechts-drehend zirkular polarisierte Licht trägt den Drehimpuls des Photonenspins, der die Teilchen zur Rotation anregen kann; Das Vektorlichtfeld, dessen Polarisationszustand sich mit der räumlichen Position ändert, kann die Wechselwirkung zwischen dem Drehimpuls zeigen. Auf die gleiche Weise können die Impulseigenschaften von Vektor- und Wirbelfeldern auch bei der Femtosekunden-Laserbearbeitung genutzt werden, beispielsweise durch die Verwendung von Wirbelfeldern zur Induzierung chiraler Strukturen, durch die Verwendung von Vektorfeldern zur Induzierung komplexer Muster usw.
Verglichen mit der herkömmlichen Femtosekunden-Laserbearbeitung macht die Vektor- und Wirbelfeld-Femtosekunden-Laserbearbeitung, die durch das leistungsstarke Ultraviolett-Lasersystem mit steuerbaren Raum-{1}}Eigenschaften erzeugt wird, die Bearbeitungsstruktur vielfältiger und komplizierter. Durch die Gestaltung der Phasen- und Polarisationsverteilung des Lichtfeldes können wir eine Vielzahl von Oberflächenmustern und sogar komplexe dreidimensionale Topologien erhalten. Verwendung der Femtosekunden-Laserpulsformungstechnologie in Kombination mit Raum-{5}}Zeit-Lichtmodulationstechnologie und Raum-{6}}Fokussierungstechnologie, um den ultraschnellen Laserpuls im Zeitbereich und Frequenzbereich zu modulieren und die dreidimensionale Mikro--Nanoverarbeitung und praktische Anwendung in verschiedenen Materialien zu realisieren. Es wird erwartet, dass diese Technologien eine wichtige Rolle in der neuen integrierten Optik und Mikro-Nanooptik spielen werden.
Vorteile und mögliche Anwendungen von Ultraviolett-, Vektor- und Wirbel-Femtosekunden-Lichtfeldern
Aufgrund der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Branche kann die traditionelle Femtosekunden-Laserbearbeitungstechnologie den wachsenden industriellen Bedarf nicht decken und muss daher weiterentwickelt und optimiert werden. Die UV-Femtosekunden-Laserbearbeitungstechnologie ist eine wirksame Möglichkeit zur Verbesserung der Bearbeitungsgenauigkeit und hat einen großen Anwendungswert in der industriellen Fertigung. Die Femtosekunden-Laserbearbeitungstechnologie mit Vektor- und Wirbelfeldern hat den traditionellen Einzelbearbeitungsmodus verändert und die Laserbearbeitung flexibler und vielfältiger gemacht. Darüber hinaus dient die UV-Vektor- und Wirbel-Femtosekunden-Laserverarbeitungstechnologie auch der Praxis und Überprüfung der Theorie der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie, was hilfreich ist, um den tieferen physikalischen Mechanismus aufzudecken, und eine positive wissenschaftliche Bedeutung hat.