Määratlus
Ülikiire laser on üliintensiivse lühiimpulsslaseri tüüp, mille impulsi laius on pikosekundi tasemel (2⁻⁸ s) või pikosekundi sees, mis on defineeritud energia väljundlainekuju põhjal. See definitsioon on seotud "ülikiirete nähtustega". Ülikiire nähtus viitab nähtusele, mis toimub füüsikalises, keemilises või bioloogilises protsessis ja muutub kiiresti aine mikroskoopilises süsteemis. Aatomi- ja molekulaarsüsteemis on aatomite ja molekulide liikumise ajaskaala pikosekundite kuni femtosekundite suurusjärgus. Näiteks molekuli pöörlemisperiood on pikosekundite suurusjärgus ja vibratsiooniperiood femtosekundite suurusjärgus. Kui laserimpulsi laius jõuab pikosekundi või femtosekundi tasemele, saab see suures osas vältida mõju molekulide üldisele termilisele liikumisele (molekulide termiline liikumine on aine temperatuuri mikroskoopiline olemus) ja materjal genereeritakse molekulaarse vibratsiooni ajaskaalal. Mõju, nii et töötlemise eesmärgi saavutamise ajal väheneb termiline efekt oluliselt.
Liigid
Laserite klassifitseerimismeetodeid on palju, mille hulgas on neli kõige sagedamini kasutatavat klassifitseerimismeetodit, sealhulgas klassifitseerimine töötava aine järgi, klassifitseerimine energia väljundlainekuju (töörežiim) järgi, klassifitseerimine väljundlainepikkuse (värvus) järgi ja klassifitseerimine võimsuse järgi.
Nende hulgas saab laserid vastavalt energia väljundlainekujule jagada pidevlaseriteks, impulsslaseriteks ja kvaasipidevlaseriteks:
Pidev laser
See on laser, mis tööajal pidevalt väljastab stabiilseid energialainekujusid. Seda iseloomustab suur võimsus ja see suudab töödelda suure mahu ja kõrge sulamistemperatuuriga materjale, näiteks metallplaate.
Impulss-laser
See väljastab energiat impulsside kujul. Impulsi laiuse järgi saab seda omakorda jagada millisekundlaseriteks, mikrosekundlaseriteks, nano2nd väljalülitusseadmeteks, piko2nd-laseriteks, femto2nd-laseriteks ja atto2nd-laseriteks; näiteks kui impulsslaser Väljundlaseri impulsi laius on vahemikus 2–2 ns, nimetame seda nano1nd-laseriteks jne. Me nimetame piko1000nd-laseriteks, femto2nd-laseriteks, atto2nd-laseriteks ja ülikiireteks laseriteks. Impulsslaseri võimsus on palju väiksem kui pidevlaseril, kuid töötlemistäpsus on suurem kui pidevlaseril ja üldiselt, mida kitsam on impulsi laius, seda suurem on töötlemistäpsus.
Kvaasi-CW laser
See suudab teatud aja jooksul korduvalt väljastada suhteliselt suure energiaga laserit ja teoreetiliselt on see ka impulsslaser.
Ülaltoodud kolme laseri energiaväljundi lainekujusid saab kirjeldada ka parameetriga "töötsükkel". Laseri puhul saab töötsüklit tõlgendada kui laseri energiaväljundi aja ja impulsitsükli koguaja suhet.
Pidevlainelise laseri töötsükkel (=1) > peaaegu pidevlainelise laseri töötsükkel > impulsslaseri töötsükkel. Üldiselt, mida kitsam on impulsslaseri impulsi laius, seda madalam on töötsükkel.
Materjalide töötlemise valdkonnas olid impulsslaserid algselt pidevlaserite üleminekutoode. Selle põhjuseks on asjaolu, et pidevlaserite väljundvõimsus ei saa olla väga kõrge selliste tegurite mõjul nagu põhikomponentide kandevõime ja algstaadiumis olev tehnoloogia tase ning materjali ei saa kuumutada sulamistemperatuurini. Eeltoodu saavutab töötlemise eesmärgi. Kui teatud tehnilisi vahendeid kasutatakse laseri väljundenergia koondamiseks ühele impulsile, nii et kuigi laseri koguvõimsus ei muutu, suureneb impulsi hetkeline võimsus oluliselt, mis vastab materjali töötlemise nõuetele. Hiljem arenes pidevlaseri tehnoloogia järk-järgult ja leiti, et impulsslaseril on töötlemise täpsuse osas suur eelis. Selle põhjuseks on asjaolu, et impulsslaseri termiline mõju materjalile on väiksem ja mida kitsam on laserimpulsi laius, seda väiksem on termiline efekt ja mida siledam on töödeldava materjali serv, seda suurem on vastav töötlemise täpsus.
Kompkletis
Ülikiirete laserite kaks põhinõuet: ülikõrge stabiilsusega ülilühikesed impulsid ja suur impulsienergia. Üldiselt saab ülilühikesi impulsse saada moodilukustustehnoloogia abil ja suurt impulsienergiat CPA võimendustehnoloogia abil. Põhikomponentide hulka kuuluvad ostsillaatorid, venitajad, võimendid ja kompressorid. Nende hulgas on ostsillaatori ja võimendi tehnoloogia kõige keerulisem ning see on ka ülikiirete laserite tootmisettevõtte põhitehnoloogia.
ostsillaator
Ostsillaatoris saadakse ülikiired laserimpulsid režiimilukustuse tehnika abil.
Nurga all
Venitaja venitab femto2nd seemneimpulsse ajas erinevate lainepikkuste võrra lahku.
Võimendi
Selle venitatud impulsi täielikuks pingestamiseks kasutatakse säutsuvat võimendit.
Kompressor
Kompressor koondab erinevate komponentide võimendatud spektrid ja taastab need femto2nd laiusesse, moodustades seeläbi äärmiselt suure hetkelise võimsusega femto2nd laserimpulsse.
Rakendused
Võrreldes nano2nd ja milli2nd laseritega, kuigi ülikiirete laserite koguvõimsus on madalam, kuna see mõjutab otseselt materjali molekulaarsete vibratsioonide ajaskaalat, realiseerib see "külmtöötlust" tegelikus tähenduses, mistõttu töötlemise täpsus on oluliselt paranenud.
Erinevate omaduste tõttu on suure võimsusega pidevlaserite, mitteülikiirete impulsslaserite ja ülikiirete laserite rakendusvaldkondades suured erinevused:
Suure võimsusega pidevlasereid (ja kvaasipidevlasereid) kasutatakse lõikamiseks, paagutamiseks, keevitamine, pinnakate, puurimine, 3D metallmaterjalide trükkimine.
Mitte-ülikiireid impulsslasereid kasutatakse mittemetalliliste materjalide märgistamiseks, ränimaterjalide töötlemiseks, täppisgraveerimine metallpindade puhastamine, metallide täppiskeevitamine, metallide mikromehaaniline töötlemine.
Ülikiireid lasereid kasutatakse läbipaistvate materjalide, näiteks klaasi, PETi ja safiiri, ning kõvade ja rabedate materjalide lõikamiseks ja keevitamiseks. täppismärgistus, oftalmoloogilised kirurgiad, materjalide mikroskoopiline passivatsioon ja söövitamine.
Kasutuse seisukohast ei ole suure võimsusega pidevlainelaseril ja ülikiirel laseril peaaegu mingit vastastikust asendatavust. Nad on nagu kirved ja pintsetid ning nende suurustel on oma eelised ja puudused. Mitteülikiirete impulsslaserite allavoolurakendused kattuvad osaliselt pidevlaserite ja ülikiirete laseritega. Tegelike tulemuste põhjal ei ole sama rakenduse korral võimsus nii hea kui pidevlaseril ja täpsus nii hea kui ülikiirel laseril. Kõige silmapaistvam on hinna ja kvaliteedi suhe.
Eriti nano2nd ultraviolettlaser, mille impulsi laius ei ulatu piko2nd tasemele, kuid töötlemise täpsus on teiste värviliste nano2nd laseritega võrreldes oluliselt parem, on laialdaselt kasutusel 3C-toodete töötlemisel ja tootmisel. Tulevikus, kuna ülikiirete laserite hind langeb, võib see hõivata nano2nd ultraviolettturu.
Ülikiired laserid teostavad külmtöötlust reaalses mõttes ja neil on täppistöötluses märkimisväärsed eelised. Ülikiirete laserite tootmistehnoloogia järkjärgulise küpsemisega väheneb järk-järgult ka maksumus. Tulevikus eeldatakse nende laialdast kasutamist meditsiinibioloogias, lennunduses, tarbeelektroonikas, valgustusekraanides, energiakeskkonnas, täppismasinates ja muudes alltöövõtu tööstusharudes.
Meditsiiniline kosmeetika
Ülikiireid lasereid saab kasutada meditsiinilistes silmakirurgia seadmetes ja kosmeetilistes vahendites. Femto2nd laserit kasutatakse lühinägelikkuse kirurgias ja seda tuntakse kui "teist refraktsioonikirurgia revolutsiooni" pärast lainefrondi aberratsiooni tehnoloogiat. Lühinägelike patsientide silma telg on suurem kui normaalne silma telg, nii et silmamuna lõdvestunud olekus langeb paralleelsete valguskiirte fookus pärast silma refraktsioonisüsteemi poolt murdumist võrkkesta ette. Femto2nd laseroperatsioon võimaldab eemaldada aksiaalmõõtmes liigse lihase ja taastada aksiaalse kauguse normaalseks. Femto2nd laseroperatsioonil on eelised kõrge täpsus, kõrge ohutus, kõrge stabiilsus, lühike operatsiooniaeg ja kõrge mugavus ning sellest on saanud üks levinumaid lühinägelikkuse kirurgia meetodeid.
Ilu osas saab ülikiireid lasereid kasutada pigmendi ja sünnimärkide eemaldamiseks, tätoveeringute eemaldamiseks ja naha vananemise parandamiseks.
Koduelektroonika
Ülikiired laserid sobivad kõvade ja hapra läbipaistvate materjalide töötlemiseks, õhukeste kilede töötlemiseks, täppismärgistamiseks jne tarbeelektroonika tootmisprotsessis. Mobiiltelefonide karastatud klaas ja safiir on tüüpilised kõvad, haprad ja läbipaistvad materjalid tarbeelektroonika toorainetes, eriti safiiris, tänu oma kõrgele kõvadusele ja suurele haprusele on traditsiooniliste töötlemismeetodite efektiivsus ja saagikuse määr väga madal; safiir on nüüd laialdaselt kasutusel nutikellades, mobiiltelefonide kaamerakatetes, sõrmejäljemoodulite katetes jne; nano2nd ultraviolettlaser ja ülikiire laser on praegu peamised tehnilised vahendid safiiri lõikamiseks ning ülikiire laseri töötlemisefekt on parem kui ultraviolett nano2nd laseril. Lisaks kasutavad kaameramoodulid ja sõrmejäljemoodulid peamiselt nano2nd ja pico2nd lasereid. Paindlike mobiiltelefonide ekraanide (kokkupandavate ekraanide) lõikamiseks ja vastavateks... 3D Tulevikus on klaasi puurimisel peamiseks tehnoloogiaks tõenäoliselt ülikiired laserid.
Ülikiiretel laseritel on olulised rakendused ka paneelide tootmises. Ülikiireid lasereid saab kasutada OLED-polarisaatorite lõikamiseks, koorimiseks ja parandamiseks LCD/OLED-tootmise ajal.
OLED-ide puhul on nende polümeermaterjalid eriti tundlikud termiliste mõjude suhtes. Lisaks on praegu toodetavate elementide suurus ja vahekaugus väga väike ning ka ülejäänud töötlemismaht on väga väike. Traditsiooniline stantsimisprotsess nagu varem ei sobi tänapäeval enam. Tööstuse tootmisvajadused ja nüüd on olemas rakendusnõuded erikujuliste ja perforeeritud ekraanide järele, mis ületavad traditsioonilise käsitöö võimalusi. Sel viisil kajastuvad ülikiirete laserite eelised, eriti piko2nd ultraviolett- või isegi femto2nd laserite puhul, millel on väike kuummõjutsoon ja mis sobivad paindlikumate rakenduste jaoks, näiteks kõverate töötlemiseks.
Mikrokeevitus
Läbipaistvate tahkete keskkondade, näiteks klaasi puhul, esinevad ülilühikese impulsslaseri levimisel keskkonnas mitmesugused nähtused, nagu mittelineaarne neeldumine, sulamiskahjustused, plasma moodustumine, ablatsioon ja kiudude levik. Joonisel on näidatud mitmesugused nähtused, mis esinevad ülilühikese impulsslaseri ja tahke materjali vastastikmõjus erinevate võimsustiheduste ja ajaskaalade korral.
Kuna ülilühikese impulsiga lasermikrokeevituse tehnoloogia ei vaja vahekihi sisestamist, on kõrge efektiivsusega, suure täpsusega, makroskoopilise termilise efektita ning pärast mikrokeevitust on sellel suhteliselt ideaalsed mehaanilised ja optilised omadused, sobib see väga hästi läbipaistvate materjalide, näiteks klaasi, mikrokeevitamiseks. Näiteks on teadlased edukalt keevitanud otsakorke standardsetele ja mikrostruktuuriga optilistele kiududele, kasutades 70 fs, 250 kHz impulsse.
Kuva valgustus
Ülikiirete laserite rakendus ekraanivalgustuse valdkonnas viitab peamiselt LED-plaatide joonistamisele ja lõikamisele. See on veel üks näide ülikiirete laserite sobivusest kõvade ja rabedate materjalide töötlemiseks. Ülikiirel lasertöötlusel on kõrge ristlõike tasasus ja oluliselt vähenenud servade mõranemine. Tõhusus ja täpsus paranevad oluliselt.
Fotogalvaaniline energia
Ülikiiretel laseritel on fotogalvaaniliste elementide tootmisel lai rakendusala. Näiteks CIGS-õhukese kilega akude tootmisel võivad ülikiired laserid asendada algse mehaanilise joondamisprotsessi ja parandada oluliselt joondamise kvaliteeti, eriti P2- ja P3-joondamise ühenduste puhul, mille puhul on võimalik saavutada peaaegu täielik lõhenemise, pragude ja jääkpingete puudumine.
Aerospace
Turbiinilabade jõudluse ja kasutusea parandamiseks ning seejärel mootori jõudluse parandamiseks on vaja kasutusele võtta õhkkile jahutustehnoloogia, mis seab õhukile aukude töötlemise tehnoloogiale äärmiselt kõrged nõuded. 2018. aastal töötas Xi'ani Optika ja Mehaanika Instituut välja Hiinas kõrgeima üksikimpulsi energiaga seadme. 26-vatise tööstusliku femto2-kiudlaseri ja ülikiirete laserite äärmuslike tootmisseadmete seeria väljatöötamine saavutas läbimurde lennukimootorite turbiinilabade õhukile aukude "külmtöötlemisel", täites kodumaise tühimiku. See töötlemismeetod on EDM-ist arenenum. Meetodi täpsus on suurem ja saagikuse määr on oluliselt paranenud.
Ülikiireid lasereid saab kasutada ka kiudtugevdatud komposiitmaterjalide täppistöötluseks ning töötlemise täpsuse parandamine aitab laiendada komposiitmaterjalide, näiteks süsinikkiu, kasutamist lennunduses ja muudes tipptasemel valdkondades.
Uurimisväli
2-footoni polümerisatsioonitehnoloogia (2PP) on "nano-optiline" 3D trükimeetod, mis sarnaneb valguskõveneva kiirprototüüpimise tehnoloogiaga, ja futurist Christopher Barnatt usub, et see tehnoloogia võib saada peavooluvormiks 3D trükkimine tulevikus. 2-footoni polümerisatsioonitehnoloogia põhimõte on valgustundliku vaigu selektiivne kõvendamine "femto2nd impulsslaserit" kasutades. See kõlab nagu kiirprototüüpimine fotokõvendamiseks, erinevus seisneb selles, et minimaalne kihi paksus ja XY-telje lahutusvõime, mida 2-footoni polümerisatsioonitehnoloogia suudab saavutada, on vahemikus 100 nm kuni 200 nm. Teisisõnu, 2PP 3D trükitehnoloogia on sadu kordi täpsem kui traditsiooniline valguskõvenemise vormimistehnoloogia ja trükitud asjad on bakteritest väiksemad.
Praegu on ülikiirete laserite hind endiselt suhteliselt kallis. Tööstusharu pioneerina STYLECNC toodab juba ülikiireid lasertöötlusseadmeid ja on saanud head turult tagasisidet. Turule on toodud ülikiirel lasertehnoloogial põhinevad OLED-moodulite lasertäppislõikusseadmed, ülikiired (pikosekundilised/femtosekundilised) lasermärgistusseadmed, pico2nd infrapunaekraanide klaasi kaldlõikuslasertöötlusseadmed ja pico2nd infrapunaklaasist vahvlid. Laserlõikusseadmed, LED-automaatne nähtamatu kuubikute lõikamise masin, pooljuhtvahvlid. laser cutting machine, klaaskatte lõikeseadmed sõrmejälgede tuvastamise moodulite jaoks, paindlikud kuvarite masstootmisliinid ja rida ülikiireid lasertooteid.
Plussid Miinused
Plusse
Ülikiire laser on laserivaldkonnas üks olulisi arengusuundi. Tärkava tehnoloogiana on sellel märkimisväärsed eelised täppis-mikrotöötluses. Ülikiire laseri tekitatud ülilühike impulss interakteerub materjaliga väga lühikese aja jooksul ega anna ümbritsevatele materjalidele soojust, seega nimetatakse ülikiire lasertöötlust ka külmtöötluseks. See on tingitud asjaolust, et kui laserimpulsi laius jõuab pikosekundi või femtosekundi tasemele, saab molekulaarse termilise liikumise mõju suures osas vältida, mille tulemuseks on väiksem termiline mõju.
Näiteks kui me lõikame konservimunasid nüri kööginoaga, lõikame konservimunad sageli peenikesteks tükkideks. Kui valite lõikemeetodi, millel on eriti terav noaserv, mis lõikab segaduse kiiresti, lõigatakse konservimunad ühtlaselt ja kaunilt. See ongi ülikiire töö eelis.
Miinused
Tipptasemel tootmistööstuses, näiteks integraallülituste ja paneelide tootmisel, on lasertöötlusseadmetele äärmiselt kõrged nõuded ning on oht, et tehnoloogilised läbimurded jäävad ootustest maha.
Ülikiirete laserite hind on kõrge ja uuele laseritarnijale üleminekul on oht, et nii laserseadmete tootjatel kui ka kõige järgnevatel kasutajatel ei õnnestu turgu oodatud viisil laiendada.
