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 Industrie stark gefördert. Der Laser ist aufgrund seiner Vorteile wie hohe Leistung, einfacher Fokus, hohe Helligkeit und gute Richtwirkung das fortschrittlichste und am weitesten verbreitete Mittel in der Bearbeitung. Die Laserbearbeitung bietet die Vorteile hoher Präzision, hoher Geschwindigkeit und geringer Kosten. Es kann automatisch durch Computerprogrammierung gesteuert werden. Es kann die Struktur mit einer komplexen Form verarbeiten. 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 Wechselwirkungsmechanismus zwischen Laser und Materie kann die Laserbearbeitung in zwei Kategorien unterteilt werden: Laserthermische Verarbeitung und nichtthermische Verarbeitung. Die in der thermischen und nicht-thermischen Verarbeitung verwendeten Lasertypen sind unterschiedlich. Der Langpulslaser oder kontinuierliche Laser wird üblicherweise bei der thermischen Verarbeitung verwendet, und der ultrakurze Pulslaser wie Pikosekunde und Femtosekunde wird üblicherweise bei der nichtthermischen Verarbeitung verwendet.
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 in seine eigene innere Energie umwandeln. Die Temperatur des bestrahlten Bereichs steigt stark an, um den Schmelzpunkt und den Siedepunkt von 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 ist, wird bei der thermischen Verarbeitung häufig ein Langpulslaser verwendet. Dieses Verarbeitungsverfahren ist einfach und direkt und wurde in der industriellen Fertigung wie Laserschneiden, Laseradditivherstellung usw. häufig verwendet. Aufgrund der unvermeidlichen thermischen Diffusion bei der Verarbeitung sind jedoch die Genauigkeit und Rauheit der thermischen Laserbearbeitung begrenzt.
Bei der nicht-thermischen Verarbeitung werden die nichtlinearen Effekte (wie nichtlineare Ionisation, Oberflächenstreuung usw.) genutzt, die durch die Störung des elektronischen Materialsystems durch den Übergang und die Ionisation der Elektronenabsorptionsphotonen sowie die physikalischen und chemischen Eigenschaften von verursacht werden Materialien werden dazu gebracht, sich zu ändern, was zur Erzeugung einiger neuer Effekte (wie Zweiphotonenpolymerisation, Laser-Selbstorganisation usw.) führt, wobei diese neuen Effekte verwendet werden, um die Erhöhung des Zwecks der Bearbeitungsgenauigkeit und -optimierung zu erreichen. Da der Energieaustausch zwischen dem Elektronensystem und dem Laser sofort abgeschlossen werden kann, wird bei der nichtthermischen Verarbeitung normalerweise ein ultrakurzer Pulslaser verwendet. Diese Methode verfügt über eine hohe Präzision und verschiedene Verarbeitungsmethoden, was einer der Forschungsschwerpunkte auf dem Gebiet der Laserbearbeitung ist.
Vor- und Nachteile der herkömmlichen Femtosekunden-Laserbearbeitung
Ultrahohe Spitzenleistung und ultrakurze Pulsdauer sind zwei Hauptvorteile des Femtosekundenlasers. Die ultrahohe Spitzenleistung reicht aus, um eine Vielzahl nichtlinearer Effekte zu induzieren, die die Laserbearbeitungsmethoden bereichern. Die ultraschnellen Zeitcharakteristika machen auch den Wechselwirkungsprozess zwischen Femtosekundenlaser und Materialien sehr kurz. Die vom Laserbestrahlungsbereich absorbierte Lichtenergie kann nicht einmal auf andere Bereiche übertragen werden, um sicherzustellen, dass die Laserenergie im Bestrahlungsbereich genau abgeschieden werden kann und eine ultrafeine Verarbeitung realisiert werden kann.
Gegenwärtig ist der Femtosekundenlaser auf dem Gebiet der Mikro- und Nanoverarbeitung weit verbreitet, hauptsächlich einschließlich Laser-Direktschreiben und Lasermaske. Aufgrund der Beugungsgrenze des Bearbeitungssystems ist es jedoch unmöglich, die Laserbestrahlungsfläche ohne Einschränkung zu verringern, was die weitere Verbesserung der Bearbeitungsgenauigkeit einschränkt. Gleichzeitig ist die Femtosekundenlaserbearbeitung aufgrund der unterschiedlichen nichtlinearen Eigenschaften verschiedener Materialien stark von Materialien abhängig. Dieselbe Verarbeitungsmethode zeigt häufig unterschiedliche Verarbeitungseffekte für unterschiedliche Materialien.
Vorteile der UV-Femtosekunden-Laserbearbeitung
Mit der Entwicklung der modernen Industrie steigt das Erfordernis der 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, so dass die Verringerung der Laserwellenlänge das direkteste und effektivste Mittel zur Verbesserung der Beugungsgrenze wird. Beispielsweise besteht die in der gegenwärtigen Industrie weit verbreitete UV-Lithographietechnologie darin, die Verarbeitungsgenauigkeit durch Reduzieren der Laserwellenlänge zu verbessern.
UV-Laser bezieht sich auf den Laser, dessen Wellenlänge kleiner als 380 nm ist. Verglichen mit der Wellenlänge, die üblicherweise vom Femtosekundenlaser 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 abschneiden, was im Wesentlichen eine photochemische Reaktion ist, also im Wesentlichen ohne Schmelzphänomen Begrenzung des Einflusses der thermischen Wirkung. Andererseits ist die UV-Bande die empfindliche Bande vieler Polymere, wie beispielsweise Fotolacke. Diese Polymere erzeugen unter Bestrahlung mit einem ultravioletten Femtosekundenlaser einen Zwei-Photonen-Polymerisationseffekt, wodurch das fließende Kolloid zu einem Feststoff mit hoher mechanischer Festigkeit polymerisiert. Nach der Verarbeitung wird der Fotolack weggewaschen und die gewünschte Struktur kann erhalten werden. Mit diesem Prinzip kann eine superfeine 3 D-Strukturverarbeitung durchgeführt werden.
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 ultrahohe Energie des Femtosekundenlaserfeldes 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 Impulsaustausch, so dass der neue Lasermodus seine Vorteile auf dem Gebiet der Femtosekundenverarbeitung voll ausschöpfen kann.
Das Vektorfeld und das Wirbelfeld sind zwei der typischsten neuen Lasermodi. Aufgrund ihrer räumlichen topologischen Eigenschaften von Polarisation und Phase weist das Feld einige spezielle physikalische Eigenschaften auf. Beispielsweise kann das Vektorfeld jenseits der Beugungsgrenze, die kleiner ist, zum Brennpunkt konvergieren, so dass die Bearbeitungsgenauigkeit höher ist. Andererseits kann der vom Feld selbst getragene Photonen-Drehimpuls einen Impuls mit der Materie austauschen. Beispielsweise trägt das Wirbellichtfeld mit spiralförmiger Phasenstruktur den Drehimpuls der Photonenbahn, der die Teilchen dazu bringt, sich um die feste Achse zu drehen; das links- oder rechtshändige zirkular polarisierte Licht trägt den Photonenspin-Drehimpuls, der die Teilchen zur Rotation veranlassen 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 Femtosekundenlaserbearbeitung verwendet werden, beispielsweise die Verwendung von Wirbelfeldern zur Induktion chiraler Strukturen, die Verwendung von Vektorfeldern zur Induktion komplexer Muster und so weiter.
Verglichen mit der herkömmlichen Femtosekundenlaserbearbeitung macht die Vektor- und Wirbelfeld-Femtosekundenlaserbearbeitung, die durch das Hochleistungs-Ultraviolettlasersystem mit steuerbaren Raum-Zeit-Eigenschaften erzeugt wird, die Verarbeitungsstruktur diversifiziert und kompliziert. Durch das Entwerfen der Phasen- und Polarisationsverteilung des Lichtfelds können wir eine Vielzahl von Oberflächenmustern und sogar eine komplexe dreidimensionale Topologie erhalten. Verwendung der Femtosekunden-Laserpulsformungstechnologie in Kombination mit der Raum-Zeit-Lichtmodulationstechnologie und der Raum-Zeit-Fokussierungstechnologie zur Modulation des ultraschnellen Laserpulses im Zeit- und Frequenzbereich und zur Realisierung der dreidimensionalen Mikro-Nano-Verarbeitung und praktischen Anwendung in verschiedenen Materialien . Diese Technologien werden voraussichtlich eine wichtige Rolle in der neuen integrierten Optik und der Mikro-Nanooptik spielen.
Vorteile und mögliche Anwendungen von Ultraviolett-, Vektor- und Wirbel-Femtosekunden-Lichtfeldern
Mit der kontinuierlichen Entwicklung der Industrie kann die traditionelle Femtosekunden-Laserbearbeitungstechnologie die wachsende industrielle Nachfrage nicht befriedigen, daher muss sie entwickelt und optimiert werden. Die UV-Femtosekundenlaser-Verarbeitungstechnologie ist ein effektiver Weg zur Verbesserung der Verarbeitungsgenauigkeit und hat einen hohen Anwendungswert in der industriellen Fertigung. Die Femtosekunden-Laserbearbeitungstechnologie für Vektor- und Wirbelfelder hat den traditionellen Einzelverarbeitungsmodus geändert und die Laserbearbeitung flexibler und vielfältiger gemacht. Darüber hinaus ist die UV-Vektor- und Wirbel-Femtosekunden-Laserbearbeitungstechnologie auch die Praxis und Überprüfung der Theorie der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie, die hilfreich ist, um den tieferen physikalischen Mechanismus aufzudecken, und eine positive wissenschaftliche Bedeutung hat.