Tia laser siêu nhanh là loại tia laser xung cực ngắn, cực mạnh với độ rộng xung dưới hoặc trong mức pico giây (10-12 giây), được xác định dựa trên dạng sóng năng lượng đầu ra.
Tên của tia laser dựa trên “hiện tượng cực nhanh”, ám chỉ hiện tượng mà hệ thống vật chất vi mô thay đổi nhanh chóng trong một quá trình vật lý, hóa học hoặc sinh học. 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 của 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 pico giây hoặc femto giây, nó phần lớn tránh được mọi ảnh hưởng mà nó gây ra đối với chuyển động nhiệt tổng thể của các phân tử, vốn là bản chất vi mô của nhiệt độ của lớp phủ. Ngoài ra, vật liệu bị ảnh hưởng và tạo ra bởi thang thời gian của rung động phân tử, nghĩa là trong khi xử lý, hiệu ứng nhiệt giảm đi đáng kể.
Mục lục
Các loại laser siêu nhanh
Các thành phần của một tia laser siêu nhanh
Ứng dụng laser cực nhanh
Ưu và nhược điểm của tia laser siêu nhanh
Các loại laser siêu nhanh
Có nhiều phương pháp phân loại laser, trong đó bốn phương pháp được sử dụng phổ biến nhất là phân loại theo vật liệu làm việc, phân loại theo dạng sóng đầu ra năng lượng (chế độ làm việc), phân loại theo bước sóng đầu ra (màu sắc) và phân loại theo công suất.
Theo dạng sóng năng lượng đầu ra, laser có thể được chia thành laser liên tục, laser xung và laser gần liên tục:
Laser liên tục
Laser liên tục là laser liên tục phát ra dạng sóng năng lượng ổn định trong giờ làm việc. Nó được đặc trưng bởi công suất cao và khả năng xử lý vật liệu có khối lượng lớn với điểm nóng chảy cao, chẳng hạn như tấm kim loại.
Laser xung
Laser xung phát ra năng lượng dưới dạng xung. Theo độ rộng xung, các laser này có thể được chia thành laser mili giây, laser micro giây, thiết bị tắt nano giây, laser pico giây, laser femto giây và laser atto giây. Ví dụ, nếu độ rộng xung của laser đầu ra nằm trong khoảng 1-1000ns, thì nó sẽ được phân loại là laser nano giây. Đối với laser pico giây, laser femto giây, laser atto giây 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. Nhìn chung, độ rộng xung càng hẹp thì độ chính xác xử lý càng cao.
Laser bán CW
Laser bán liên tục là laser xung có thể phát ra tia laser năng lượng tương đối cao nhiều lần trong một khoảng thời gian nhất định.
Dạng sóng năng lượng đầu ra của ba loại laser được đề cập ở trên cũng có thể được mô tả bằng tham số “chu kỳ hoạt động”.
Đối với laser, chu kỳ nhiệm vụ có thể được hiểu là tỷ lệ giữa “thời gian đầu ra năng lượng laser” so với “tổng thời gian” trong một chu kỳ xung. Vì vậy, chu kỳ nhiệm vụ laser CW (=1) > chu kỳ nhiệm vụ laser CW gần đúng > chu kỳ nhiệm vụ laser xung. Nhìn chung, độ rộng xung của laser xung càng hẹp thì chu kỳ nhiệm vụ 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 đạt được mức rất cao do ảnh hưởng của các yếu tố bao gồm khả năng chịu lực của các thành phần lõi và trình độ công nghệ trong giai đoạn đầu, cũng như thực tế là vật liệu không thể được nung nóng đến điểm nóng chảy. Những yếu tố này là những gì đạt được mục đích của quá trình gia công, nghĩa là cần phải đổi mới.
Sự đổi mới này đi kèm với một số phương tiện kỹ thuật được sử dụng để tập trung năng lượng đầu ra của tia laser vào một xung duy nhất. Điều này ngăn tổng công suất của tia laser thay đổi nhưng cho phép công suất tức thời tại thời điểm xung tăng lên đáng kể và do đó đáp ứng các yêu cầu xử lý vật liệu.
Sau đó, công nghệ laser liên tục dần hoàn thiện và người ta phát hiện ra 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; độ rộng xung laser càng hẹp thì hiệu ứng nhiệt càng nhỏ; và cạnh của vật liệu gia công càng mịn thì độ chính xác gia công tương ứng càng cao.
Các thành phần của một tia laser siêu nhanh
Hai trong số các yêu cầu cốt lõi để laser được coi là laser siêu nhanh là xung cực ngắn có độ ổn định cao và năng lượng xung cao. Nhìn chung, xung cực ngắn có thể thu được bằng cách sử dụng công nghệ khóa chế độ, trong khi 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, bộ dao động và bộ khuếch đại là thách thức nhất, nhưng chúng cũng là công nghệ cốt lõi đằng sau bất kỳ công ty sản xuất laser siêu nhanh nào.
Oscillator
Kỹ thuật khóa chế độ được sử dụng để thu được các xung laser cực nhanh trong bộ dao động.
người kéo ra
Máy kéo giãn các xung hạt femto giây theo thời gian bằng cách sử dụng các bước sóng khác nhau.
amplifier
Bộ khuếch đại chirp được sử dụng để cung cấp năng lượng đầy đủ cho xung đã được kéo dài.
Máy nén
Máy nén kết hợp các quang phổ khuếch đại của nhiều thành phần khác nhau và khôi phục chúng về độ rộng femto giây, do đó tạo ra các xung laser femto giây với công suất tức thời cực cao.
Ứng dụng laser cực nhanh
Khi so sánh với tia laser nano giây và mili giây, tia laser siêu nhanh có công suất tổng thể thấp hơn, tuy nhiên, vì chúng tác động trực tiếp vào thang thời gian của các rung động phân tử vật liệu nên tia laser siêu nhanh thực hiện "xử lý lạnh" theo đúng nghĩa đen, nghĩa là độ chính xác xử lý được cải thiện đáng kể.
Do các đặc điểm khác nhau, laser liên tục công suất cao, laser xung không siêu nhanh và laser siêu nhanh đều 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 và in 3D vật liệu kim loại.
Tia laser xung không siêu nhanh được sử dụng để đánh dấu các vật liệu phi kim loại, xử lý vật liệu silicon, làm sạch và thực hiện khắc chính xác trên bề mặt kim loại, kim loại hàn chính xác và kim loại vi mô.
Tia laser siêu nhanh được sử dụng để cắt và hàn các vật liệu cứng và giòn, cũng như các vật liệu trong suốt như thủy tinh, PET và sapphire. Ngoài ra, chúng được sử dụng cho đánh dấu chính xác, phẫu thuật nhãn khoa, thụ động hóa vi mô và khắc.
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, kích thước của chúng đều có ưu điểm và nhược điểm.
Các ứng dụng hạ nguồn của laser xung không siêu nhanh có một số điểm trùng lặp với laser liên tục và laser siêu nhanh. Tuy nhiên, xét theo kết quả đạt được khi sử dụng cùng một ứng dụng, công suất của laser xung không siêu nhanh không tốt bằng laser liên tục và độ chính xác của nó không tốt bằng laser siêu nhanh. Tính năng nổi bật nhất của nó là hiệu suất chi phí.
Đặc biệt, tia laser cực tím nano giây, mặc dù có độ rộng xung không đạt đến mức pico giây, nhưng có độ chính xác xử lý cao hơn nhiều so với các tia laser nano giây màu khác. Tia laser cực tím nano giây được sử dụng rộng rãi trong quá trình xử lý và sản xuất các sản phẩm 3C và khi chi phí của tia laser siêu nhanh giảm trong tương lai, nó có thể chiếm lĩnh thị trường tia cực tím nano giây.
Laser siêu nhanh thực hiện quá trình xử lý lạnh theo nghĩa thực và có những lợi thế đáng kể trong quá trình xử lý chính xác. Ngoài ra, khi công nghệ sản xuất dần hoàn thiện, chi phí của các laser siêu nhanh này sẽ giảm. Vì những lý do này, dự kiến các laser này 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 trong tương lai.
Thẩm mỹ y khoa
Tia laser siêu nhanh có thể được sử dụng trong thiết bị phẫu thuật mắt y tế và thiết bị thẩm mỹ. Ví dụ, tia laser femtosecond được sử dụng trong phẫu thuật cận thị và được biết đến, sau công nghệ quang sai mặt sóng, là "một cuộc cách mạng khác trong phẫu thuật khúc xạ".
Trục mắt của bệnh nhân cận thị lớn hơn trục mắt bình thường, nghĩa là khi ở trạng thái thư giãn, tiêu điểm của các tia sáng song song do hệ thống khúc xạ của mắt sau khi khúc xạ sẽ rơi vào phía trước võng mạc. Phẫu thuật laser Femtosecond có thể loại bỏ cơ thừa ở chiều trục và khôi phục khoảng cách trục về chiều dài bình thường. Phẫu thuật laser Femtosecond có ưu điểm là độ chính xác cao, độ an toàn cao, độ ổn định cao, thời gian phẫu thuật ngắn và sự thoải mái cao, điều này đã khiến nó 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.
Thiết bị điện tử tiêu dùng
Tia laser siêu nhanh thích hợp cho việc xử lý vật liệu trong suốt cứng và giòn, xử lý màng mỏng và đánh dấu chính xác, cũng như cung cấp các chức năng khác trong quá trình sản xuất thiết bị điện tử tiêu dùng. Sapphire và kính cường lực, chẳng hạn như loại dùng trong điện thoại di động, được coi là vật liệu cứng, giòn và trong suốt trong số các nguyên liệu thô được sử dụng trong thiết bị điện tử tiêu dùng.
Sapphire nói riêng được sử dụng rộng rãi trong các mặt hàng như đồng hồ thông minh, vỏ máy ảnh điện thoại di động và vỏ mô-đun vân tay. Tuy nhiên, do độ cứng và độ giòn cao nên hiệu quả và tỷ lệ năng suất của các phương pháp gia công truyền thống rất thấp. Do đó, laser cực tím nano giây và laser siêu nhanh là phương tiện kỹ thuật chính để cắt sapphire, với hiệu ứng xử lý của laser cực nhanh tốt hơn laser cực tím nano giây. Ngoài các chức năng trên, laser nano giây và pico giây cũng là phương pháp xử lý chính được sử dụng bởi các mô-đun máy ảnh và mô-đun vân tay.
Tia laser siêu nhanh cũng có khả năng trở thành công nghệ chính thống để cắt màn hình điện thoại di động linh hoạt (màn hình có thể gập lại) và khoan kính 3D tương ứng trong tương lai.
Tia laser siêu nhanh cũng có những ứng dụng quan trọng trong sản xuất tấm nền, bao gồm cắt các tấm phân cực OLED và các quy trình bóc tách và sửa chữa trong quá trình sản xuất LCD/OLED.
Vật liệu polyme trong sản xuất OLED đặc biệt nhạy cảm với ảnh hưởng nhiệt. Ngoài ra, kích thước và khoảng cách giữa các ô hiện đang được sản xuất rất nhỏ, cũng như kích thước xử lý còn lại. Điều này có nghĩa là quy trình cắt khuôn truyền thống không còn phù hợp nữa. Nhu cầu sản xuất của ngành công nghiệp và các yêu cầu ứng dụng cho màn hình có hình dạng đặc biệt và màn hình đục lỗ hiện đã vượt quá khả năng của các nghề thủ công truyền thống. Do đó, những lợi ích mà laser siêu nhanh mang lại là rõ ràng, đặc biệt là khi xem xét laser cực tím pico giây hoặc thậm chí là laser femto giây, có vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ và phù hợp hơn cho các ứng dụng linh hoạt như xử lý đường cong.
Hàn vi mô
Đối với các thành phần môi trường rắn trong suốt, chẳng hạn như thủy tinh, nhiều hiện tượng khác nhau bao gồm hấp thụ phi tuyến tính, hư hỏng do nóng chảy, hình thành plasma, cắt bỏ và lan truyền sợi sẽ xảy ra khi một tia laser xung cực ngắn lan truyền trong môi trường. Hình minh họa các hiện tượng khác nhau xảy ra trong quá trình tương tác giữa một tia laser xung cực ngắn và vật liệu rắn khi ở các mật độ công suất và thang thời gian khác nhau.
Công nghệ hàn vi mạch laser xung cực ngắn rất phù hợp với việc hàn vi mạch các vật liệu trong suốt như thủy tinh vì nó không cần chèn lớp trung gian, có hiệu suất cao, độ chính xác cao, không có hiệu ứng nhiệt vĩ mô và thể hiện các tính chất cơ học và quang học lý tưởng sau khi xử lý hàn vi mạch. Ví dụ, các nhà nghiên cứu đã hàn thành công các đầu mút vào sợi quang có cấu trúc vi mô và tiêu chuẩn bằng cách sử dụng các xung 70 fs, 250 kHz.
Ánh sáng hiển thị
Ứng dụng của laser siêu nhanh trong lĩnh vực chiếu sáng màn hình chủ yếu là khắc và cắt wafer LED, đây là một ví dụ khác về cách laser siêu nhanh phù hợp để xử lý vật liệu cứng và giòn. Xử lý laser siêu nhanh có độ chính xác và hiệu quả tốt, cũng như độ phẳng mặt cắt ngang cao và giảm đáng kể tình trạng sứt cạnh.
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 để cải thiện đáng kể chất lượng khắc, đặc biệt là đối với các liên kết khắc P2 và P3, nơi nó có thể đạt được hầu như không có vết nứt, vết mẻ hoặc ứng suất dư.
Không gian vũ trụ
Công nghệ làm mát màng khí là cần thiết khi cố gắng cải thiện hiệu suất động cơ và hiệu suất cũng như tuổi thọ của các cánh tua bin được sử dụng trong hàng không vũ trụ. Tuy nhiên, điều này có nghĩa là 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 femto giây cấp công nghiệp 26 watt. Ngoài ra, họ đã phát triển một loạt các thiết bị sản xuất laser cực nhanh để đạt được bước đột phá trong "xử lý lạnh" các lỗ màng khí trên cánh tua bin động cơ máy bay và do đó lấp đầy khoảng trống trong nước. Phương pháp xử lý này tiên tiến hơn EDM, độ chính xác cao hơn và tỷ lệ năng suất được cải thiện đáng kể.
Tia laser siêu nhanh cũng có thể được áp dụng để gia công chính xác các vật liệu composite gia cố sợi, trong khi việc cải thiện độ chính xác 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 hai photon (2PP) là phương pháp in 3D “quang học nano” tương tự như công nghệ tạo mẫu nhanh bằng ánh sáng. Nhà tương lai học Christopher Barnatt tin rằng công nghệ này có thể trở thành hình thức in 3D chính thống trong tương lai.
Nguyên lý của công nghệ 2PP là xử lý nhựa nhạy sáng một cách chọn lọc bằng cách sử dụng “tia laser xung femto giây”. Mặc dù có vẻ giống với phương pháp tạo mẫu nhanh quang hóa, nhưng điểm khác biệt là độ dày lớp tối thiểu và độ phân giải trục XY mà công nghệ 2PP có thể đạt được nằm trong khoảng từ 100 nm đến 200 nm. Nói cách khác, công nghệ in 2D 3PP chính xác hơn hàng trăm lần so với công nghệ đúc quang hóa truyền thống và các vật thể được in nhỏ hơn cả vi khuẩn.
Giá của laser siêu nhanh vẫn còn tương đối đắt nhưng với tư cách là đơn vị 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 đã được ra mắt dựa trên công nghệ laser siêu nhanh, thiết bị đánh dấu laser siêu nhanh (pico giây/femto giây), thiết bị xử lý laser vát kính cho màn hình hiển thị hồng ngoại pico giây và tấm kính hồng ngoại pico giây.
Các sản phẩm được ra mắt nhờ các công nghệ này bao gồm thiết bị cắt laser, máy cắt vô hình tự động LED, wafer 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 của tia laser siêu nhanh
Ưu điểm của tia laser siêu nhanh
Laser siêu nhanh là một trong những hướng phát triển quan trọng nhất 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 tia laser cực nhanh tạo ra có nghĩa là bản thân tia laser chỉ tương tác với vật liệu trong thời gian rất ngắn và do đó sẽ không truyền nhiệt cho các vật liệu xung quanh. Ngoài ra, khi độ rộng xung laser đạt đến mức pico giây hoặc femto giây, ảnh hưởng đến chuyển động nhiệt phân tử có thể được tránh phần lớn, dẫn đến ảnh hưởng nhiệt ít hơn. Vì lý do này, quá trình xử lý laser cực nhanh cũng được gọi là "xử lý lạnh".
Một ví dụ minh họa cho thấy lợi thế của tia laser siêu nhanh có thể là khi chúng ta cắt trứng bảo quản bằng dao bếp cùn. Chúng ta thường cắt trứng bảo quản thành từng miếng nhỏ, vì vậy nếu bạn chọn lưỡi dao sắc cắt nhanh thay vào đó, trứng bảo quản sẽ được cắt đều và đẹp.
Nhược điểm của tia laser siêu nhanh
Các ngành sản xuất cao cấp, chẳng hạn như sản xuất mạch tích hợp và bảng điều khiển, có yêu cầu cực kỳ cao về thiết bị xử lý laser và có nguy cơ các đột phá công nghệ mới không đạt được kỳ vọng.
Giá của một máy laser siêu nhanh rất cao và việc chuyển sang một nhà cung cấp laser mới có nguy cơ không mở rộng được thị trường như kỳ vọng ban đầu của cả nhà sản xuất thiết bị laser và người dùng cuối.
Nguồn từ stylecnc.com
Tuyên bố miễn trừ trách nhiệm: Thông tin nêu trên được cung cấp bởi stylecnc độc lập với Cooig.com. Cooig.com không tuyên bố và bảo đảm về chất lượng và độ tin cậy của người bán và sản phẩm.
