De ultrakorte laser is een type ultra-intense, ultra-kort gepulste laser met een pulsbreedte onder of binnen het picosecondeniveau (10-12s), dat wordt gedefinieerd op basis van de energie-uitvoergolfvorm.
De naam van de laser is gebaseerd op het "ultrafast fenomeen", wat verwijst naar een fenomeen waarbij het microscopische systeem van materie snel verandert in een fysiek, chemisch of biologisch proces. In het atomaire en moleculaire systeem is de tijdschaal van de beweging van atomen en moleculen in de orde van picoseconden tot femtoseconden. Bijvoorbeeld, de periode van moleculaire rotatie is in de orde van picoseconden en de periode van vibratie is in de orde van femtoseconden.
Wanneer de laserpulsbreedte het niveau van picoseconde of femtoseconde bereikt, vermijdt het grotendeels elke invloed die het heeft op de algehele thermische beweging van moleculen, wat de microscopische essentie is van de temperatuur van mat. Bovendien wordt het materiaal beïnvloed en gegenereerd door de tijdschaal van moleculaire vibratie, wat betekent dat tijdens de verwerking het thermische effect sterk wordt verminderd.
Inhoudsopgave
Soorten ultrakorte lasers
Componenten van een ultrakorte laser
Ultrasnelle lasertoepassingen
Voor- en nadelen van een ultrakorte laser
Soorten ultrakorte lasers
Er bestaan veel classificatiemethoden voor lasers. De vier meest gebruikte classificatiemethoden zijn: classificatie op basis van werkzame stof, classificatie op basis van energie-outputgolfvorm (werkmodus), classificatie op basis van outputgolflengte (kleur) en classificatie op basis van vermogen.
Afhankelijk van de energie-uitvoergolfvorm kunnen lasers worden onderverdeeld in continue lasers, gepulseerde lasers en quasi-continue lasers:
continue laser
Een continue laser is een laser die continu stabiele energiegolfvormen afgeeft tijdens werkuren. Het wordt gekenmerkt door een hoog vermogen en het vermogen om volumineuze materialen met een hoog smeltpunt te verwerken, zoals metalen platen.
Gepulste laser
Gepulste lasers geven energie af in de vorm van pulsen. Afhankelijk van de pulsbreedte kunnen deze lasers verder worden onderverdeeld in milliseconde lasers, microseconde lasers, nanoseconde shutdown devices, picoseconde lasers, femtoseconde lasers en attoseconde lasers. Als de pulsbreedte van de output laser bijvoorbeeld tussen 1-1000ns ligt, wordt deze geclassificeerd als een nanoseconde laser. Voor picoseconde lasers, femtoseconde lasers, attoseconde lasers en ultrasnelle lasers is het vermogen van de gepulste laser veel lager dan dat van de continue laser, maar de verwerkingsnauwkeurigheid is hoger. Over het algemeen geldt: hoe smaller de pulsbreedte, hoe hoger de verwerkingsnauwkeurigheid.
Quasi-CW-laser
De quasi-CW-laser is een pulslaser die binnen een bepaalde periode herhaaldelijk een laser met relatief hoge energie kan afgeven.
De energie-uitvoergolfvormen van de hierboven genoemde drie lasers kunnen ook worden beschreven door de parameter “duty cycle”.
Voor een laser kan de duty cycle worden geïnterpreteerd als de verhouding van de "tijd van laserenergie-output" ten opzichte van de "totale tijd" binnen een pulscyclus. Dus, CW laser duty cycle (=1) > quasi-CW laser duty cycle > gepulste laser duty cycle. Over het algemeen geldt: hoe smaller de pulsbreedte van de gepulste laser, hoe lager de duty cycle.
Op het gebied van materiaalverwerking waren gepulste lasers aanvankelijk een overgangsproduct van continue lasers. Dit komt doordat het uitgangsvermogen van continue lasers niet erg hoog kan worden door de invloed van factoren zoals het draagvermogen van kerncomponenten en het technologieniveau in de beginfase, evenals het feit dat het materiaal niet tot het smeltpunt kan worden verhit. Deze factoren zijn wat het doel van de verwerking bereikt, wat betekent dat er behoefte is aan innovatie.
De innovatie kwam met bepaalde technische middelen die werden gebruikt om de outputenergie van de laser te concentreren op een enkele puls. Dit voorkwam dat het totale vermogen van de laser veranderde, maar zorgde ervoor dat het momentane vermogen op het moment van de puls sterk toenam en zo voldeed aan de vereisten van materiaalverwerking.
Later werd de continue lasertechnologie geleidelijk volwassen en werd ontdekt dat de gepulste laser een groot voordeel heeft in de verwerkingsnauwkeurigheid. Dit komt doordat het thermische effect van gepulste lasers op materialen kleiner is; hoe smaller de laserpulsbreedte, hoe kleiner het thermische effect; en hoe gladder de rand van het bewerkte materiaal, hoe hoger de bijbehorende bewerkingsnauwkeurigheid.
Componenten van een ultrakorte laser
Twee van de belangrijkste vereisten voor een laser om als ultrafast laser te worden beschouwd, zijn een ultrakorte puls met hoge stabiliteit en een hoge pulsenergie. Over het algemeen kunnen ultrakorte pulsen worden verkregen door gebruik te maken van mode-locking-technologie, terwijl een hoge pulsenergie kan worden verkregen door gebruik te maken van CPA-versterkingstechnologie.
De kerncomponenten die hierbij betrokken zijn, zijn onder andere oscillatoren, stretchers, versterkers en compressoren. De oscillator en versterker zijn de meest uitdagende, maar ze vormen ook de kerntechnologie achter elk ultrasnel laserproductiebedrijf.
Oscillator
Om ultrakorte laserpulsen in de oscillator te verkrijgen, wordt een mode-lockingtechniek gebruikt.
Brancard
De rekmachine rekt de femtoseconde zaadpulsen uit in de tijd door verschillende golflengten te gebruiken.
Versterker
Er wordt een piepende versterker gebruikt om de nu uitgerekte puls volledig van energie te voorzien.
Compressor
De compressor verenigt de versterkte spectra van de verschillende componenten en brengt ze terug naar de femtosecondebreedte. Zo ontstaan femtosecondelaserpulsen met een extreem hoog direct vermogen.
Ultrasnelle lasertoepassingen
Vergeleken met nanoseconde- en millisecondelasers hebben ultrakorte lasers een lager totaalvermogen. Omdat ze echter rechtstreeks inwerken op de tijdschaal van de moleculaire trillingen van het materiaal, realiseren ultrakorte lasers “koude verwerking” in de ware zin van het woord, wat betekent dat de verwerkingsnauwkeurigheid aanzienlijk is verbeterd.
Vanwege hun verschillende kenmerken vertonen continue lasers met hoog vermogen, niet-ultrakorte gepulseerde lasers en ultrakorte lasers allemaal grote verschillen in de volgende toepassingsgebieden:
Continue lasers met hoog vermogen (en quasi-continue lasers) worden gebruikt voor het snijden, sinteren, lassen, oppervlaktebekleding, boren en het 3D-printen van metalen materialen.
Niet-ultrasnelle gepulseerde lasers worden gebruikt om niet-metalen materialen te markeren, siliciummaterialen te verwerken, te reinigen en precisie graveren op metalen oppervlakken, precisielasmetalen en micromachinemetalen.
Ultrasnelle lasers worden gebruikt om harde en brosse materialen te snijden en te lassen, evenals transparante materialen zoals glas, PET en saffier. Daarnaast worden ze gebruikt voor precisiemarkering, oogheelkundige chirurgie, microscopische passivering en etsen.
Vanuit het oogpunt van hun gebruik hebben high-power CW lasers en ultrasnelle lasers bijna geen wederzijdse substitutierelatie. Ze zijn als bijlen en pincetten, en hun afmetingen hebben zowel hun voor- als nadelen.
De downstream-toepassingen van niet-ultrasnelle gepulseerde lasers hebben enige overlap met die van continue lasers en ultrasnelle lasers. Echter, afgaande op de resultaten die zijn behaald bij dezelfde toepassingen, is het vermogen van een niet-ultrasnelle gepulseerde laser niet zo goed als dat van een continue laser en is de nauwkeurigheid niet zo goed als die van een ultrasnelle laser. De meest opvallende eigenschap is de kostenprestatie.
De nanoseconde ultraviolet laser in het bijzonder, hoewel met een pulsbreedte die niet het picoseconde niveau bereikt, heeft een veel hogere verwerkingsnauwkeurigheid dan andere kleuren nanoseconde lasers. De nanoseconde ultraviolet laser wordt veel gebruikt in de verwerking en productie van 3C producten en aangezien de kosten van ultrasnelle lasers in de toekomst dalen, kan het de nanoseconde ultraviolet markt bezetten.
Ultrasnelle lasers realiseren koude verwerking in een echte zin en hebben significante voordelen in precisieverwerking. Bovendien zullen de kosten van deze ultrasnelle lasers afnemen naarmate de productietechnologie geleidelijk rijpt. Om deze redenen wordt verwacht dat deze lasers in de toekomst op grote schaal zullen worden gebruikt in de medische biologie, lucht- en ruimtevaart, consumentenelektronica, verlichtingsdisplays, energieomgeving, precisiemachines en andere downstream-industrieën.
Medische cosmetologie
Ultrasnelle lasers kunnen worden gebruikt in medische oogchirurgieapparatuur en cosmetische apparaten. De femtosecondelaser wordt bijvoorbeeld gebruikt bij myopiechirurgie en staat, na de golffrontaberratietechnologie, bekend als "een andere revolutie in refractieve chirurgie."
De oogas van myopische patiënten is groter dan een normale oogas, wat betekent dat wanneer ze zich in een staat van ontspanning bevinden, de focus van de parallelle lichtstralen door het refractieve systeem van het oog na refractie voor het netvlies valt. Femtoseconde laserchirurgie kan overtollige spieren in de axiale dimensie verwijderen en de axiale afstand herstellen tot zijn normale lengte. Femtoseconde laserchirurgie heeft de voordelen van hoge nauwkeurigheid, hoge veiligheid, hoge stabiliteit, korte operatietijd en hoog comfort, wat ertoe heeft geleid dat het een van de meest gangbare myopiechirurgiemethoden is geworden.
Op het gebied van schoonheid kunnen ultrasnelle lasers worden gebruikt om pigment en moedervlekken te verwijderen, tatoeages te verwijderen en huidveroudering tegen te gaan.
Consumentenelektronica
Ultrasnelle lasers zijn geschikt voor de verwerking van hard en bros transparant materiaal, dunne filmverwerking en precisiemarkering, en bieden daarnaast ook andere functies binnen het productieproces van consumentenelektronica. Saffier en gehard glas, zoals dat wordt gebruikt in mobiele telefoons, worden beschouwd als harde, brosse en transparante materialen onder de grondstoffen die worden gebruikt in consumentenelektronica.
Saffier wordt met name veel gebruikt in artikelen zoals smartwatches, camerahoezen voor mobiele telefoons en vingerafdrukmodulehoezen. Vanwege de hoge hardheid en broosheid zijn de efficiëntie en opbrengst van traditionele bewerkingsmethoden echter erg laag. Hierdoor zijn nanoseconde ultraviolette lasers en ultrakorte lasers de belangrijkste technische middelen voor het snijden van saffier, waarbij het verwerkingseffect van de ultrakorte laser beter is dan dat van de ultraviolette nanoseconde laser. Naast de bovenstaande functionaliteiten zijn nanoseconde en picoseconde lasers ook de belangrijkste verwerkingsmethoden die worden gebruikt door cameramodules en vingerafdrukmodules.
Ook voor het snijden van flexibele mobiele telefoonschermen (vouwschermen) en het bijbehorende 3D-boren van glas zullen ultrakorte lasers in de toekomst waarschijnlijk de belangrijkste technologie worden.
Ultrakorte lasers hebben ook belangrijke toepassingen in de productie van panelen, zoals het snijden van OLED-polarisatoren en de schil- en reparatieprocessen tijdens de productie van LCD/OLED.
De polymeermaterialen in OLED-productie zijn bijzonder gevoelig voor thermische invloeden. Bovendien zijn de grootte en de afstand van de cellen die momenteel worden gemaakt, erg klein, net als de resterende verwerkingsgrootte. Dit betekent dat het traditionele stansproces niet langer geschikt is. De productiebehoeften van de industrie en de toepassingsvereisten voor speciaal gevormde schermen en geperforeerde schermen gaan nu de mogelijkheden van traditionele ambachten te boven. De voordelen die ultrasnelle lasers bieden, zijn dus duidelijk, vooral als we picoseconde ultraviolet of zelfs femtoseconde lasers overwegen, die een kleine warmte-beïnvloede zone hebben en geschikter zijn voor flexibele toepassingen zoals curveverwerking.
Microlassen
Voor transparante vaste mediacomponenten, zoals glas, zullen verschillende fenomenen, waaronder niet-lineaire absorptie, smeltschade, plasmavorming, ablatie en vezelvoortplanting, optreden wanneer een ultrakorte pulslaser zich in het medium voortplant. De afbeelding toont de verschillende fenomenen die optreden tijdens een interactie tussen een ultrakorte pulslaser en vast materiaal bij verschillende vermogensdichtheden en tijdschalen.
Ultra-korte puls laser micro-lastechnologie is zeer geschikt voor het micro-lassen van transparante materialen zoals glas, omdat het geen tussenlaag hoeft in te voegen, een hoge efficiëntie, hoge precisie, geen macroscopisch thermisch effect heeft en ideale mechanische en optische eigenschappen heeft na micro-lasbehandeling. Onderzoekers hebben bijvoorbeeld met succes eindkappen gelast aan standaard en micro-gestructureerde optische vezels met behulp van 70 fs, 250 kHz pulsen.
Displayverlichting
De toepassing van ultrasnelle lasers op het gebied van displayverlichting heeft voornamelijk betrekking op het krassen en snijden van LED-wafers, wat een ander voorbeeld is van hoe ultrasnelle lasers geschikt zijn voor het verwerken van harde en brosse materialen. Ultrasnelle laserverwerking heeft een goede nauwkeurigheid en efficiëntie, evenals een hoge vlakheid van de dwarsdoorsnede en aanzienlijk minder afbrokkeling van de randen.
Fotovoltaïsche energie
Ultrasnelle lasers hebben een breed toepassingsgebied in de productie van fotovoltaïsche cellen. Bijvoorbeeld, in de productie van CIGS dunne-film batterijen, kunnen ultrasnelle lasers het originele mechanische schrijfproces vervangen om de kwaliteit van het schrijven aanzienlijk te verbeteren, met name voor P2 en P3 schrijfverbindingen, waar het bijna geen afbrokkeling, scheuren of restspanning kan bereiken.
LUCHT- EN RUIMTEVAART
Luchtfilmkoelingtechnologie is vereist bij het proberen om de motorprestaties en de prestaties en levensduur van de turbinebladen die in de lucht- en ruimtevaart worden gebruikt, te verbeteren. Dit betekent echter extreem hoge eisen voor luchtfilmgatverwerkingstechnologie.
In 2018 ontwikkelde het Xi'an Institute of Optics and Mechanics de hoogste enkele pulsenergie in China: de 26-watt, industriële femtoseconde fiberlaser. Daarnaast ontwikkelden ze een reeks extreme, ultrasnelle laserproductieapparatuur om een doorbraak te bereiken in de "koude verwerking" van luchtfilmgaten in turbinebladen van vliegtuigmotoren en daarmee de binnenlandse kloof te dichten. Deze verwerkingsmethode is geavanceerder dan EDM, de nauwkeurigheid is hoger en de opbrengst is aanzienlijk verbeterd.
Ultrakorte lasers kunnen ook worden toegepast bij de precisiebewerking van vezelversterkte composietmaterialen, terwijl verbeteringen in de bewerkingsnauwkeurigheid de toepassing van composietmaterialen zoals koolstofvezel in de lucht- en ruimtevaart en andere geavanceerde sectoren zullen helpen uitbreiden.
Onderzoeksveld
Twee-foton polymerisatie (2PP) technologie is een “nano-optische” 3D printmethode die vergelijkbaar is met licht-uithardende rapid prototyping technologie. Futurist Christopher Barnatt gelooft dat deze technologie in de toekomst een mainstream vorm van 3D printen kan worden.
Het principe van 2PP-technologie is om lichtgevoelige hars selectief te laten uitharden met behulp van een "femtoseconde pulslaser". Hoewel het lijkt op foto-uithardende rapid prototyping, is het verschil dat de minimale laagdikte en XY-asresolutie die 2PP-technologie kan bereiken tussen de 100 nm en 200 nm liggen. Met andere woorden, 2PP 3D-printtechnologie is honderden keren nauwkeuriger dan traditionele licht-uithardende giettechnologie en de geprinte dingen zijn kleiner dan bacteriën.
De prijs van ultrasnelle lasers blijft relatief duur, maar als pionier in de industrie produceert STYLECNC al ultrasnelle laserverwerkingsapparatuur en heeft het goede feedback van de markt gekregen. Laserprecisie-snijapparatuur voor OLED-modules is gelanceerd op basis van ultrasnelle lasertechnologie, ultrasnelle (picoseconde/femtoseconde) lasermarkeringsapparatuur, glasafschuiningslaserverwerkingsapparatuur voor picoseconde infraroodschermen en picoseconde infraroodglaswafers.
De producten die dankzij deze technologieën op de markt worden gebracht, omvatten lasersnijapparatuur, automatische, onzichtbare LED-dobbelsteenmachines, halfgeleiderwafers lasersnijmachines, apparatuur voor het snijden van glasafdekkingen voor vingerafdrukidentificatiemodules, flexibele displaymassaproductielijnen en een reeks ultrasnelle laserproducten.
Voor- en nadelen van een ultrakorte laser
Voordelen van een ultrakorte laser
De ultrasnelle laser is een van de belangrijkste ontwikkelingsrichtingen binnen het laserveld. Als opkomende technologie heeft het significante voordelen in precisie-microbewerking.
De ultrakorte puls die door de ultrasnelle laser wordt gegenereerd, betekent dat de laser zelf slechts een zeer korte tijd met het materiaal interageert en daarom geen warmte aan de omringende materialen zal toebrengen. Bovendien kan, wanneer de laserpulsbreedte het picoseconde- of femtosecondeniveau bereikt, de invloed op de moleculaire thermische beweging grotendeels worden vermeden, wat resulteert in minder thermische invloed. Om deze reden wordt ultrasnelle laserbewerking ook wel "koude bewerking" genoemd.
Een grafisch voorbeeld dat de voordelen van een supersnelle laser laat zien, is wanneer we geconserveerde eieren snijden met een bot keukenmes. We snijden de geconserveerde eieren vaak in fijne stukjes, dus als u in plaats daarvan een scherpe mesrand kiest die snel snijdt, worden de geconserveerde eieren gelijkmatig en mooi gesneden.
Nadelen van een ultrakorte laser
Hoogwaardige productiebedrijven, zoals fabrikanten van geïntegreerde schakelingen en panelen, stellen extreem hoge eisen aan laserbewerkingsapparatuur. Het risico bestaat dat nieuwe technologische doorbraken niet aan de verwachtingen voldoen.
De prijs van een ultrasnelle laser is hoog en overstappen naar een nieuwe laserleverancier brengt het risico met zich mee dat de markt niet kan worden uitgebreid zoals oorspronkelijk werd verwacht door zowel de fabrikanten van laserapparatuur als de eindgebruikers.
Bron van stijlcnc.com
Disclaimer: De hierboven vermelde informatie wordt door stylecnc onafhankelijk van Cooig.com verstrekt. Cooig.com geeft geen verklaringen en garanties met betrekking tot de kwaliteit en betrouwbaarheid van de verkoper en producten.
