Tanım
Ultra hızlı lazer, enerji çıkış dalga formuna göre tanımlanan, piko2. seviyeden (10-12s) daha az veya bu seviyenin içinde olan darbe genişliğine sahip bir tür ultra yoğun ultra kısa darbeli lazerdir. Bu tanım, "ultra hızlı fenomen" ile ilgilidir. Ultra hızlı fenomen, maddenin mikroskobik sisteminde hızla değişen fiziksel, kimyasal veya biyolojik bir süreçte meydana gelen bir fenomeni ifade eder. Atomik ve moleküler sistemde, atomların ve moleküllerin hareketinin zaman ölçeği pikosaniye ila femtosaniye mertebesindedir. Örneğin, moleküler dönme periyodu pikosaniye mertebesindedir ve titreşim periyodu femtosaniye mertebesindedir. Lazer darbe genişliği piko2. veya femtosaniye seviyesine ulaştığında, moleküllerin genel termal hareketi üzerindeki etkiyi büyük ölçüde önleyebilir (moleküllerin termal hareketi, maddenin sıcaklığının mikroskobik özüdür) ve malzeme moleküler titreşimin zaman ölçeğinde üretilir. Etki, böylece işleme amacına ulaşırken termal etki büyük ölçüde azalır.
Türleri
Lazerler için birçok sınıflandırma yöntemi bulunmaktadır, bunların arasında en sık kullanılan 4 sınıflandırma yöntemi şunlardır: Çalışma maddesine göre sınıflandırma, enerji çıkış dalga biçimine (çalışma modu) göre sınıflandırma, çıkış dalga boyuna göre sınıflandırma (renk) ve güce göre sınıflandırma.
Bunlar arasında enerji çıkış dalga biçimine göre lazerler; sürekli lazerler, darbeli lazerler ve yarı-sürekli lazerler olarak sınıflandırılabilir:
Sürekli Lazer
Çalışma saatleri boyunca sürekli olarak kararlı enerji dalga formları üreten bir lazerdir. Yüksek güçle karakterize edilir ve metal levhalar gibi büyük hacimli ve yüksek erime noktasına sahip malzemeleri işleyebilir.
Darbeli Lazer
Enerjiyi darbeler şeklinde çıkarır. Darbe genişliğine göre, mili2nd lazerler, mikro2nd lazerler, nano2nd kapatma cihazları, piko2nd lazerler, femto2nd lazerler ve atto2nd lazerler olarak daha da ayrılabilir; örneğin, bir darbeli lazer Çıkış lazerinin darbe genişliği 1-1000ns arasındadır, bunlara nano2nd lazerler diyoruz, vb. Piko2nd lazerler, femto2nd lazerler, atto2nd lazerler ve ultra hızlı lazerler diyoruz. Darbeli lazerin gücü, sürekli lazerinkinden çok daha düşüktür, ancak işleme doğruluğu sürekli lazerinkinden daha yüksektir ve genel olarak, darbe genişliği ne kadar darsa, işleme doğruluğu o kadar yüksek olur.
Yarı-CW Lazer
Belirli bir süre içerisinde tekrar tekrar nispeten yüksek enerjili lazer çıkışı verebilmektedir ve teoride bu bir darbeli lazerdir.
Yukarıdaki 3 lazerin enerji çıkış dalga formları "görev döngüsü" parametresiyle de tanımlanabilir. Bir lazer için görev döngüsü, lazer enerjisi çıkış süresinin bir darbe döngüsü içindeki toplam zamana oranı olarak yorumlanabilir.
CW lazer görev döngüsü (=1) > yarı-CW lazer görev döngüsü > darbeli lazer görev döngüsü. Genellikle, darbeli lazerin darbe genişliği ne kadar dar olursa, görev döngüsü o kadar düşük olur.
Malzeme işleme alanında, darbeli lazerler başlangıçta sürekli lazerlerin geçiş ürünüydü. Bunun nedeni, çekirdek bileşenlerin taşıma kapasitesi ve erken aşamadaki teknoloji seviyesi gibi faktörlerin etkisi nedeniyle sürekli lazerlerin çıkış gücünün çok yüksek olamaması ve malzemenin erime noktasına kadar ısıtılamamasıdır. Yukarıdakiler işleme amacına ulaşır. Lazerin çıkış enerjisini tek bir darbeye yoğunlaştırmak için belirli teknik araçlar kullanılırsa, böylece lazerin toplam gücü değişmese de darbe anındaki anlık güç büyük ölçüde artar ve bu da malzeme işleme gereksinimlerini karşılar. Daha sonra, sürekli lazer teknolojisi giderek olgunlaştı ve darbeli lazerin işleme doğruluğunda büyük bir avantaja sahip olduğu bulundu. Bunun nedeni, darbeli lazerin malzemeler üzerindeki termal etkisinin daha küçük olması ve lazer darbe genişliği ne kadar darsa termal etkinin o kadar küçük olması ve işlenmiş malzemenin kenarı ne kadar pürüzsüzse, buna karşılık gelen işleme doğruluğunun daha yüksek olmasıdır.
Bileşenler
Ultrahızlı lazerlerin 2 temel talebi: yüksek kararlılıkta ultrakısa darbe ve yüksek darbe enerjisi. Genellikle, ultrakısa darbeler mod kilitleme teknolojisi kullanılarak elde edilebilir ve yüksek darbe enerjisi CPA amplifikasyon teknolojisi kullanılarak elde edilebilir. Dahil olan temel bileşenler arasında osilatörler, gerdiriciler, amplifikatörler ve kompresörler bulunur. Bunlar arasında osilatör ve amplifikatör teknolojisi en zor olanıdır ve aynı zamanda ultrahızlı bir lazer üretim şirketinin temel teknolojisidir.
Osilatör
Osilatörde, mod kilitleme tekniği kullanılarak ultra hızlı lazer darbeleri elde ediliyor.
sedye
Germe cihazı, femto2. tohum darbelerini zaman içinde farklı dalga boylarında gerer.
Amplifikatör
Bu gerilmiş darbeyi tam olarak enerjilendirmek için bir cıvıltılı amplifikatör kullanılır.
Kompresör
Kompresör, farklı bileşenlerin yükseltilmiş spektrumlarını bir araya getirir ve bunları femto2. genişliğe geri döndürür, böylece son derece yüksek anlık güce sahip femto2. lazer darbeleri oluşturur.
Başvurular
Nano2 ve milli2 lazerlerle karşılaştırıldığında, ultrahızlı lazerlerin toplam gücü daha düşük olmasına rağmen, doğrudan malzeme moleküler titreşimlerinin zaman ölçeğine etki ettiğinden, gerçek anlamda "soğuk işlem" gerçekleştirir, dolayısıyla işlem doğruluğu büyük ölçüde iyileştirilir.
Farklı özellikler nedeniyle, yüksek güçlü sürekli lazerler, ultra hızlı olmayan darbeli lazerler ve ultra hızlı lazerler, alt akış uygulama alanlarında büyük farklılıklara sahiptir:
Yüksek güçlü sürekli lazerler (ve yarı sürekli lazerler) kesme, sinterleme, kaynak, yüzey kaplama, delme, 3D metal malzemelerin basımı.
Ultra hızlı olmayan darbeli lazerler, metalik olmayan malzemelerin işaretlenmesi, silikon malzemelerin işlenmesi için kullanılır. hassas gravür Metal yüzeylerin işlenmesi, metal yüzeylerin temizlenmesi, metallerin hassas kaynaklanması, metallerin mikro işlenmesi.
Ultra hızlı lazerler cam, PET ve safir gibi şeffaf malzemelerin ve sert ve kırılgan malzemelerin kesilmesi ve kaynaklanmasında kullanılır. hassas işaretleme, oftalmik cerrahi, mikroskobik pasifleştirme ve malzemelerin aşındırılması.
Kullanım açısından bakıldığında, yüksek güçlü CW lazerler ve ultra hızlı lazerler arasında neredeyse hiç karşılıklı ikame ilişkisi yoktur. Bunlar eksenler ve cımbızlar gibidir ve boyutlarının kendi avantajları ve dezavantajları vardır. Ultra hızlı olmayan darbeli lazerlerin alt akış uygulamaları, sürekli lazerler ve ultra hızlı lazerlerle bir miktar örtüşmektedir. Gerçek sonuçlara göre, aynı uygulama altında, gücü sürekli lazerler kadar iyi değildir ve doğruluğu ultra hızlı lazerler kadar iyi değildir. Daha belirgin olanı maliyet performansıdır.
Özellikle nano2nd ultraviyole lazer, darbe genişliği piko2nd seviyesine ulaşmasa da, diğer renkli nano2nd lazerlere kıyasla işleme doğruluğu büyük ölçüde iyileştirilmiş olmasına rağmen, 3C ürünlerinin işlenmesinde ve üretiminde yaygın olarak kullanılmıştır. Gelecekte, ultra hızlı lazerlerin maliyeti düştükçe, nano2nd ultraviyole pazarını işgal edebilir.
Ultra hızlı lazerler soğuk işlemeyi gerçek anlamda gerçekleştirir ve hassas işlemede önemli avantajlara sahiptir. Ultra hızlı lazerlerin üretim teknolojisi giderek olgunlaştıkça maliyet de giderek azalır. Gelecekte tıbbi biyoloji, havacılık, tüketici elektroniği, aydınlatma ekranı, enerji ortamı, hassas makine ve diğer alt sektörlerde yaygın olarak kullanılması bekleniyor.
Tıbbi Kozmetoloji
Ultra hızlı lazerler tıbbi göz cerrahisi ekipmanlarında ve kozmetik cihazlarda kullanılabilir. Femto2nd lazer miyopi cerrahisinde kullanılır ve dalga cephesi sapma teknolojisinden sonra "refraktif cerrahide bir başka devrim" olarak bilinir. Miyop hastaların göz ekseni normal göz ekseninden daha büyüktür, böylece göz küresinin gevşemesi durumunda, gözün refraktif sistemi tarafından kırılmadan sonra paralel ışık ışınlarının odağı retinanın önüne düşer. Femto2nd lazer cerrahisi, eksenel boyuttaki fazla kası kaldırabilir ve eksenel mesafeyi normale döndürebilir. Femto2nd lazer cerrahisi, yüksek doğruluk, yüksek güvenlik, yüksek stabilite, kısa operasyon süresi ve yüksek konfor avantajlarına sahiptir ve en yaygın miyopi cerrahisi yöntemlerinden biri haline gelmiştir.
Güzellik açısından, ultra hızlı lazerler pigmentleri ve doğal benleri gidermek, dövmeleri gidermek ve cilt yaşlanmasını iyileştirmek için kullanılabilir.
Tüketici Elektroniği
Ultra hızlı lazerler, tüketici elektroniğinin üretim sürecinde sert ve kırılgan şeffaf malzeme işleme, ince film işleme, hassas işaretleme vb. için uygundur. Cep telefonu temperli camı ve safir, tüketici elektroniği hammaddelerinde, özellikle safirde temsili sert, kırılgan ve şeffaf malzemelerdir, yüksek sertliği ve yüksek kırılganlığı nedeniyle, geleneksel işleme yöntemlerinin verimliliği ve verim oranı çok düşüktür; safir artık yaygın olarak kullanılmaktadır Akıllı saatlerde, cep telefonu kamera kapaklarında, parmak izi modülü kapaklarında vb. yaygın olarak kullanılmaktadır; nano2nd ultraviyole lazer ve ultra hızlı lazer, şu anda safir kesimi için ana teknik araçlardır ve ultra hızlı lazerin işleme etkisi, ultraviyole nano2nd lazerden daha iyidir. Ek olarak, kamera modülleri ve parmak izi modülleri tarafından kullanılan işleme yöntemleri esas olarak nano2nd ve piko2nd lazerlerdir. Esnek cep telefonu ekranlarının (katlanabilir ekranlar) ve karşılık gelen 3D Gelecekte cam delmede ana akım teknoloji büyük olasılıkla ultra hızlı lazerler olacak.
Ultra hızlı lazerler panel üretiminde de önemli uygulamalara sahiptir. Ultra hızlı lazerler, LCD/OLED üretimi sırasında OLED polarizatörlerini kesmek, soymak ve onarmak için kullanılabilir.
OLED'ler için, polimer malzemeleri termal etkilere karşı özellikle hassastır. Ayrıca, şu anda üretilen hücrelerin boyutu ve aralığı çok küçüktür ve kalan işleme boyutu da çok küçüktür. Eskiden olduğu gibi geleneksel kalıp kesme işlemi artık bugün için uygun değildir. Endüstrinin üretim ihtiyaçları ve artık geleneksel zanaatların yeteneklerinin ötesinde olan özel şekilli ekranlar ve delikli ekranlar için uygulama gereksinimleri vardır. Bu şekilde, özellikle küçük bir ısıdan etkilenen bölgeye sahip olan ve eğri işleme gibi daha esnek uygulamalar için daha uygun olan piko2nd ultraviyole veya hatta femto2nd lazerler olmak üzere ultra hızlı lazerlerin faydaları yansıtılır.
Mikro Kaynak
Cam gibi şeffaf katı ortamlar için, ultra kısa darbeli lazer ortamda yayıldığında doğrusal olmayan emilim, erime hasarı, plazma oluşumu, ablasyon ve lif yayılımı gibi çeşitli olaylar meydana gelecektir. Şekil, farklı güç yoğunlukları ve zaman ölçekleri altında ultra kısa darbeli lazer ve katı malzeme arasındaki etkileşimde meydana gelen çeşitli olayları göstermektedir.
Ultra kısa darbeli lazer mikro kaynak teknolojisinin ara katman eklemeye ihtiyacı olmadığından, yüksek verimliliğe, yüksek hassasiyete, makroskobik termal etkiye sahip olmadığından ve mikro kaynak işleminden sonra nispeten ideal mekanik ve optik özelliklere sahip olduğundan, cam gibi şeffaf malzemelerin mikro kaynaklanması için çok uygundur. Örneğin, araştırmacılar 70 fs, 250 kHz darbeler kullanarak uç kapakları standart ve mikro yapılandırılmış optik fiberlere başarıyla kaynakladılar.
Ekran Aydınlatması
Ultra hızlı lazerlerin ekran aydınlatması alanında uygulanması esas olarak LED levhaların çizilmesi ve kesilmesi anlamına gelir. Bu, ultra hızlı lazerlerin sert ve kırılgan malzemelerin işlenmesi için uygun olmasının bir başka örneğidir. Ultra hızlı lazer işleme, yüksek kesit düzlüğüne ve önemli ölçüde azaltılmış kenar kırılmasına sahiptir. Verimlilik ve doğruluk büyük ölçüde iyileştirilmiştir.
Fotovoltaik Enerji
Ultra hızlı lazerler, fotovoltaik hücrelerin üretiminde geniş uygulama alanına sahiptir. Örneğin, CIGS ince film pillerinin üretiminde, ultra hızlı lazerler orijinal mekanik çizme işleminin yerini alabilir ve özellikle neredeyse hiç kırılma ve çatlak ve kalıntı stresi olmayan P2 ve P3 çizme bağlantıları için çizme kalitesini önemli ölçüde iyileştirebilir.
Uzay
Türbin kanatlarının performansını ve hizmet ömrünü iyileştirmek ve ardından motorun performansını iyileştirmek için, hava filmi deliği işleme teknolojisi için son derece yüksek gereksinimler ortaya koyan hava filmi soğutma teknolojisini benimsemek gerekir. 2018 yılında, Xi'an Optik ve Mekanik Enstitüsü Çin'deki en yüksek tek darbe enerjisini geliştirdi. 26 watt'lık endüstriyel sınıf femto2nd fiber lazer ve bir dizi ultra hızlı lazer aşırı üretim ekipmanı geliştirerek, uçak motoru türbin kanatlarındaki hava filmi deliklerinin "soğuk işlenmesinde" bir atılım gerçekleştirerek, yerel boşluğu doldurdu. Bu işleme yöntemi EDM'den daha gelişmiştir. Yöntemin doğruluğu daha yüksektir ve verim oranı büyük ölçüde iyileştirilmiştir.
Ultra hızlı lazerler, elyaf takviyeli kompozit malzemelerin hassas işlenmesinde de kullanılabilir ve işleme doğruluğunun iyileştirilmesi, karbon fiber gibi kompozit malzemelerin havacılık ve diğer ileri teknoloji alanlarındaki uygulama alanının genişlemesine yardımcı olacaktır.
Araştırma alanı
2-foton polimerizasyon teknolojisi (2PP) bir "nano-optik"tir 3D ışıkla sertleşen hızlı prototipleme teknolojisine benzer bir baskı yöntemidir ve fütürist Christopher Barnatt bu teknolojinin ana akım bir prototipleme biçimi haline gelebileceğine inanmaktadır. 3D gelecekte baskı. 2-foton polimerizasyon teknolojisinin prensibi, "femto2nd darbeli lazer" kullanarak fotosensitif reçineyi seçici olarak kürlemektir. Fotokürleme hızlı prototiplemeye benziyor, fark şu ki 2-foton polimerizasyon teknolojisinin elde edebileceği minimum katman kalınlığı ve XY ekseni çözünürlüğü 100 nm ile 200 nm arasındadır. Başka bir deyişle, 2PP 3D baskı teknolojisi, geleneksel ışıkla kürlenen kalıplama teknolojisinden yüzlerce kat daha hassastır ve basılan şeyler bakterilerden daha küçüktür.
Şu anda, ultra hızlı lazerlerin fiyatı hala nispeten pahalıdır. Sektörde öncü olarak, STYLECNC halihazırda ultra hızlı lazer işleme ekipmanı üretiyor ve iyi bir pazar geri bildirimi elde etti. Ultra hızlı lazer teknolojisine dayalı OLED modülleri için lazer hassas kesim ekipmanı, ultra hızlı (pikosaniye/femtosaniye) lazer markalama ekipmanı, pico2nd kızılötesi ekranlar için cam pah kırma lazer işleme ekipmanı ve pico2nd kızılötesi cam gofretleri piyasaya sürüldü lazer kesim ekipmanı, LED otomatik görünmez kesme makinesi, yarı iletken gofret lazer kesim makinesi, parmak izi tanımlama modülleri için cam kapak kesme ekipmanları, esnek ekran seri üretim hatları ve bir dizi ultra hızlı lazer ürünü.
Artılar ve eksiler
Artılar
Ultra hızlı lazer, lazer alanındaki önemli geliştirme yönlerinden biridir. Ortaya çıkan bir teknoloji olarak, hassas mikroişlemede önemli avantajlara sahiptir. Ultra hızlı lazer tarafından üretilen ultra kısa darbe, malzemeyle çok kısa bir süre etkileşime girer ve çevredeki malzemelere ısı getirmez, bu nedenle ultra hızlı lazer işleme, soğuk işleme olarak da adlandırılır. Bunun nedeni, lazer darbe genişliği piko2. veya femto2. seviyeye ulaştığında, moleküler termal hareket üzerindeki etki büyük ölçüde önlenebilir ve daha az termal etkiyle sonuçlanır.
Örneğin, körelmiş bir mutfak bıçağıyla korunmuş yumurtaları kestiğimizde, genellikle korunmuş yumurtaları ince parçalara böleriz. Eğer dağınıklığı hızla kesen özellikle keskin bir bıçak kenarına sahip bir kesme yöntemi seçerseniz, korunmuş yumurtalar eşit ve güzel bir şekilde kesilecektir. Bu, süper hızlı olmanın avantajıdır.
Eksiler
Entegre devreler ve paneller gibi üst düzey üretim endüstrilerinde lazer işleme ekipmanlarına yönelik gereksinimler son derece yüksektir ve teknolojik atılımların beklentilerin altında kalma riski vardır.
Ultra hızlı lazerlerin fiyatı yüksektir ve yeni bir lazer tedarikçisine geçmek, hem lazer ekipmanı üreticileri hem de en alt seviyedeki kullanıcılar için pazarın beklendiği gibi genişleyememesi riskini taşır.
