анықтама
Ультражылдам лазер – импульстік ені пико2-деңгейден (10-12с) аз немесе шегінде болатын ультра қарқынды ультра қысқа импульстік лазердің түрі, ол энергия шығысының толқын пішіні негізінде анықталады. Бұл анықтама «ультрафаст құбылыстарымен» байланысты. Ультражылдам құбылыс деп заттың микроскопиялық жүйесінде тез өзгеретін физикалық, химиялық немесе биологиялық процесте болатын құбылысты айтады. Атомдық және молекулалық жүйеде атомдар мен молекулалар қозғалысының уақыт шкаласы пикосекундтан фемтосекундқа дейінгі тәртіпте болады. Мысалы, молекулалық айналу периоды пикосекундтар тәртібінде, ал тербеліс периоды фемтосекундтар тәртібінде. Лазер импульсінің ені пико2 немесе фемтосекунд деңгейіне жеткенде, ол молекулалардың жалпы жылулық қозғалысына әсер етуді айтарлықтай болдырмайды (молекулалардың жылу қозғалысы зат температурасының микроскопиялық мәні болып табылады) және материал молекулалық тербелістің уақыт шкаласы бойынша жасалады. Әсер ету, сондықтан өңдеу мақсатына жету кезінде термиялық әсер айтарлықтай төмендейді.
түрлері
Лазерлерді жіктеудің көптеген әдістері бар, олардың ішінде жұмыс заты бойынша жіктеу, энергияның шығу толқын пішіні бойынша жіктеу (жұмыс режимі), шығыс толқын ұзындығы бойынша жіктеу (түсі) және қуаты бойынша жіктелуді қамтитын 4 жиі қолданылатын жіктеу әдістері бар.
Олардың ішінде энергияның шығу формасы бойынша лазерлер үздіксіз лазерлер, импульстік лазерлер және квазиүздіксіз лазерлер болып бөлінеді:
Үздіксіз лазер
Бұл жұмыс уақытында тұрақты энергия толқындарын үздіксіз шығаратын лазер. Ол жоғары қуатпен сипатталады және үлкен көлемді және жоғары балқу температурасы бар материалдарды өңдей алады, мысалы, металл плиталар.
Импульстік лазер
Ол энергияны импульс түрінде шығарады. Импульстік ені бойынша оны одан әрі милли2-ші лазерлер, микро2-ші лазерлер, нано2-ші өшіру құрылғылары, пико2-ші лазерлер, фемто2-ші лазерлер және атто2-ші лазерлер деп бөлуге болады; мысалы, егер импульстік лазер Шығарылатын лазердің импульстік ені 1-1000 ns арасында болса, біз оны нано2-ші лазерлер деп атаймыз және т.б. Біз пико2-ші лазерлер, фемто2-ші лазерлер, екінші лазерлер және өте жылдам лазерлер деп атаймыз. Импульстік лазердің қуаты үздіксіз лазерге қарағанда әлдеқайда төмен, бірақ өңдеу дәлдігі үздіксіз лазерге қарағанда жоғары және жалпы алғанда, импульстік ені неғұрлым тар болса, өңдеу дәлдігі соғұрлым жоғары болады.
Квази-CW лазер
Ол белгілі бір уақыт ішінде салыстырмалы түрде жоғары энергиялы лазерді қайта-қайта шығара алады, сонымен қатар теорияда импульстік лазер болып табылады.
Жоғарыда аталған 3 лазердің энергия шығысының толқын пішіндерін «жұмыс циклі» параметрімен де сипаттауға болады. Лазер үшін жұмыс циклін импульстік цикл ішіндегі жалпы уақытқа қатысты лазер энергиясының шығу уақытының қатынасы ретінде түсіндіруге болады.
CW лазерінің жұмыс циклі (=1) > квази-CW лазерінің жұмыс циклі > импульстік лазердің жұмыс циклі. Әдетте, импульстік лазердің импульстік ені неғұрлым тар болса, жұмыс циклі соғұрлым төмен болады.
Материалды өңдеу саласында импульстік лазерлер бастапқыда үздіксіз лазерлердің өтпелі өнімі болды. Себебі, негізгі құрамдас бөліктердің көтергіштігі және бастапқы кезеңдегі технология деңгейі сияқты факторлардың әсерінен үздіксіз лазерлердің шығу қуаты өте жоғары болуы мүмкін емес және материалды балқу температурасына дейін қыздыру мүмкін емес. Жоғарыда аталған өңдеу мақсатына жетеді. Егер лазердің шығыс энергиясын бір импульске шоғырландыру үшін белгілі бір техникалық құралдар қолданылса, лазердің жалпы қуаты өзгермесе де, импульс кезіндегі лездік қуат айтарлықтай артады, бұл материалды өңдеудің талаптарын қанағаттандырады. Кейінірек үздіксіз лазерлік технология бірте-бірте жетілді және импульстік лазердің өңдеу дәлдігінде үлкен артықшылығы бар екені анықталды. Себебі, импульстік лазердің материалдарға жылу әсері азырақ, ал лазер импульсінің ені тар болған сайын, термиялық әсер азырақ және өңделген материалдың жиегі неғұрлым тегіс болса, сәйкес өңдеу дәлдігі жоғары болады.
компоненттері
Ультра жылдам лазерлердің 2 негізгі талаптары: жоғары тұрақтылық ультра қысқа импульс және жоғары импульстік энергия. Жалпы алғанда, режимді құлыптау технологиясын қолдану арқылы ультра қысқа импульстарды алуға болады, ал жоғары импульстік энергияны CPA күшейту технологиясын пайдалану арқылы алуға болады. Негізгі құрамдас бөліктерге осцилляторлар, зембілдер, күшейткіштер және компрессорлар кіреді. Олардың ішінде осциллятор мен күшейткіш технологиясы ең қиын болып табылады, сонымен қатар олар өте жылдам лазер өндіруші компанияның негізгі технологиясы болып табылады.
Осциллятор
Осцилляторда ультра жылдам лазерлік импульстар режимді құлыптау әдісі арқылы алынады.
Созғыш
Зембіл 2-ші ұрық импульстарын әр түрлі толқын ұзындықтары бойынша уақыт бойынша ажыратады.
Күшейткіш
Бұл созылған импульсті толық қуаттандыру үшін шырылдаған күшейткіш қолданылады.
Компрессор
Компрессор әртүрлі құрамдас бөліктердің күшейтілген спектрлерін біріктіреді және оларды фемто2-ші еніне қалпына келтіреді, осылайша өте жоғары лездік қуаты бар фемто2-ші лазерлік импульстарды қалыптастырады.
Бағдарламалар
Нано2-ші және милли2-ші лазерлермен салыстырғанда, ультра жылдам лазерлердің жалпы қуаты төмен болғанымен, ол материалдық молекулалық тербелістердің уақыт шкаласына тікелей әсер ететіндіктен, ол шынайы мағынада «суық өңдеуді» жүзеге асырады, сондықтан өңдеу дәлдігі айтарлықтай жақсарды.
Әртүрлі сипаттамаларға байланысты жоғары қуатты үздіксіз лазерлер, ультра жиіліксіз импульстік лазерлер және ультра жылдам лазерлер төменгі ағындағы қолдану өрістерінде үлкен айырмашылықтарға ие:
Жоғары қуатты үздіксіз лазерлер (және квази-үздіксіз лазерлер) кесу, агломерациялау, дәнекерлеу, бетін қаптау, бұрғылау, 3D металл материалдарды басып шығару.
Ультрафикті емес импульстік лазерлер металл емес материалдарды таңбалау, кремний материалдарын өңдеу, дәлдікпен ою металл беттерін тазалау, металл беттерін тазалау, металдарды дәл пісіру, металдарды микроөңдеу.
Өте жылдам лазерлер шыны, ПЭТ және сапфир сияқты мөлдір материалдарды және қатты және сынғыш материалдарды кесу және дәнекерлеу үшін қолданылады, дәлдікпен белгілеу, офтальмологиялық хирургия, материалдарды микроскопиялық пассивациялау және ою.
Қолдану тұрғысынан жоғары қуатты CW лазерлері мен ультра жылдам лазерлердің өзара алмастыру қатынасы жоқ дерлік. Олар балта мен пинцет тәрізді, ал олардың өлшемдерінің өзіндік артықшылықтары мен кемшіліктері бар. Ультрафикті емес импульстік лазерлердің төменгі ағыны қолданбалары үздіксіз лазерлермен және ультра жылдам лазерлермен біршама сәйкес келеді. Нақты нәтижелерге қарағанда, дәл сол қолданбада оның қуаты үздіксіз лазерлердегідей жақсы емес және оның дәлдігі ультра жылдам лазерлердегідей жақсы емес. Шығынның өнімділігі неғұрлым маңызды болып табылады.
Әсіресе нано2-ші ультракүлгін лазер, оның импульсінің ені pico2-ші деңгейге жетпесе де, өңдеу дәлдігі басқа түсті нано2-лазерлермен салыстырғанда айтарлықтай жақсарды, ол 3C өнімдерін өңдеу мен өндіруде кеңінен қолданылды. Болашақта ультракүлгін лазерлердің құны төмендегендіктен, ол нано2-ші ультракүлгін нарығын алуы мүмкін.
Ультра жылдам лазерлер салқын өңдеуді нақты мағынада жүзеге асырады және дәл өңдеуде айтарлықтай артықшылықтарға ие. Өте жылдам лазерлерді өндіру технологиясы бірте-бірте жетілген сайын, құны бірте-бірте төмендейді. Болашақта ол медициналық биологияда, аэроғарыш өнеркәсібінде, тұрмыстық электроникада, жарықтандыру дисплейінде, энергетикалық ортада, дәл машиналарда және басқа да төменгі өнеркәсіп салаларында кеңінен қолданылады деп күтілуде.
Медициналық косметология
Ультра жылдам лазерлерді медициналық көз хирургиясы жабдықтарында және косметикалық құрылғыларда қолдануға болады. Femto2nd лазері миопия хирургиясында қолданылады және толқындық аберрация технологиясынан кейін «рефракциялық хирургиядағы тағы бір революция» ретінде белгілі. Миопиялық науқастардың көз осі қалыпты көз осінен үлкенірек, сондықтан көз алмасының босаңсуы жағдайында көздің сыну жүйесімен сынғаннан кейін параллель жарық сәулелерінің фокусы тордың алдына түседі. Femto2nd лазерлік хирургия осьтік өлшемдегі артық бұлшықетті алып тастай алады және осьтік қашықтықты қалыпты жағдайға келтіреді. Femto2nd лазерлік хирургиясы жоғары дәлдік, жоғары қауіпсіздік, жоғары тұрақтылық, қысқа жұмыс уақыты және жоғары жайлылық артықшылықтарына ие және миопия хирургиясының ең негізгі әдістерінің біріне айналды.
Сұлулық тұрғысынан ультра жылдам лазерлер пигментті және табиғи меңдерді кетіру, татуировканы кетіру және терінің қартаюын жақсарту үшін қолданылуы мүмкін.
Consumer Electronics
Өте жылдам лазерлер тұрмыстық электрониканы өндіру процесінде қатты және сынғыш мөлдір материалды өңдеуге, жұқа пленканы өңдеуге, дәл таңбалауға және т.б. Ұялы телефон шыңдалған шыны және сапфир тұтыну электроникасының шикізатындағы қатты, сынғыш және мөлдір материалдар болып табылады, әсіресе сапфир, оның жоғары қаттылығы мен жоғары сынғыштығына байланысты, дәстүрлі өңдеу әдістерінің тиімділігі мен кірістілік жылдамдығы өте төмен; сапфир қазір кеңінен қолданылады Ол смарт сағаттарда, ұялы телефон камераларының қақпақтарында, саусақ ізі модулінің қақпақтарында және т.б. кеңінен қолданылады; нано2-ші ультракүлгін лазер және ультрафиолет лазері қазіргі уақытта сапфирді кесудің негізгі техникалық құралы болып табылады және ультракүлгін лазердің өңдеу әсері ультракүлгін нано2-лазерге қарағанда жақсырақ. Сонымен қатар, камера модульдері мен саусақ ізі модульдері қолданатын өңдеу әдістері негізінен нано2-ші және пико2-ші лазерлер болып табылады. Ұялы телефонның икемді экрандарын (бүктейтін экрандар) және сәйкесінше кесуге арналған 3D болашақта шыны бұрғылау үшін негізгі технология ультра жылдам лазерлер болуы мүмкін.
Өте жылдам лазерлердің панельдер өндірісінде де маңызды қолданбалары бар. Өте жылдам лазерлерді OLED поляризаторларын кесу, пиллинг және СКД/OLED өндіру кезінде жөндеу үшін пайдалануға болады.
OLED үшін оның полимерлі материалдары термиялық әсерлерге өте сезімтал. Сонымен қатар, қазіргі уақытта жасалған ұяшықтардың өлшемі мен аралығы өте аз, ал қалған өңдеу өлшемі де өте аз. Бұрынғыдай дәстүрлі кесу процесі бүгінге жарамайды. Өндірістің өндірістік қажеттіліктері, ал қазір дәстүрлі қолөнер мүмкіндіктерінен тыс арнайы пішінді экрандар мен перфорацияланған экрандарға арналған қолданбалы талаптар бар. Осылайша, ультракүлгін лазерлердің артықшылықтары көрсетіледі, әсіресе пико2-ші ультракүлгін немесе тіпті фемто2-ші лазерлер, олардың жылу әсер ететін шағын аймағы бар және қисық сызықтарды өңдеу сияқты икемді қолданбалар үшін қолайлы.
Микро дәнекерлеу
Шыны сияқты мөлдір қатты орталар үшін ортада ультра қысқа импульстік лазер тараған кезде сызықты емес сіңіру, балқу зақымдануы, плазманың түзілуі, абляция және талшықтың таралуы сияқты әртүрлі құбылыстар орын алады. Суретте ультра қысқа импульстік лазер мен қатты материалдың әртүрлі қуат тығыздығы мен уақыт ауқымында өзара әрекеттесуінде пайда болатын әртүрлі құбылыстар көрсетілген.
Ультра қысқа импульстік лазерлік микро дәнекерлеу технологиясы аралық қабатты енгізуді қажет етпейтіндіктен, жоғары тиімділікке, жоғары дәлдікке, макроскопиялық термиялық әсерге ие емес және микро дәнекерлеумен өңдеуден кейін салыстырмалы түрде идеалды механикалық және оптикалық қасиеттерге ие болғандықтан, ол шыны сияқты мөлдір материалдарды микро дәнекерлеуге өте қолайлы. Мысалы, зерттеушілер 70 fs, 250 кГц импульстарды пайдаланып стандартты және микроқұрылымды оптикалық талшықтарға соңғы қақпақтарды сәтті дәнекерледі.
Дисплей жарығы
Дисплейді жарықтандыру саласында ультра жылдам лазерлерді қолдану негізінен жарықдиодты пластиналарды жазуға және кесуге қатысты. Бұл қатты және сынғыш материалдарды өңдеуге жарамды өте жылдам лазерлердің тағы бір мысалы. Ультра жылдам лазерлік өңдеу көлденең қиманың жоғары тегістігіне және жиектердің қиыршықталуын едәуір азайтады. Тиімділік пен дәлдік айтарлықтай жақсарды.
Фотоэлектрлік энергия
Ультра жылдам лазерлер фотоэлектрлік элементтерді өндіруде кең қолдану кеңістігіне ие. Мысалы, CIGS жұқа қабықшалы батареяларын өндіруде ультра жылдам лазерлер бастапқы механикалық сызу процесін алмастыра алады және әсіресе P2 және P3 сызу сілтемелері үшін сызу сапасын айтарлықтай жақсарта алады, бұл сызбаларды дерлік кесуге және жарықтар мен қалдық кернеулерге қол жеткізе алмайды.
аэроғарыштық
Турбиналық қалақтардың өнімділігі мен қызмет ету мерзімін жақсарту, содан кейін қозғалтқыштың жұмысын жақсарту үшін ауа пленкасының саңылауларын өңдеу технологиясына өте жоғары талаптар қоятын ауа пленкасын салқындату технологиясын қабылдау қажет. 2018 жылы Сиань оптика және механика институты Қытайдағы ең жоғары бір импульстік энергияны әзірледі. Өнеркәсіптік деңгейдегі 26 ватт фемто2-талшықты лазер және ультра жылдам лазерлік экстремалды өндірістік жабдығының сериясы әзірленді, аэроқозғалтқыш турбиналық қалақтарындағы ауа пленкасының тесіктерін «суық өңдеуде» серпіліске қол жеткізіп, отандық олқылықты толтырды. Бұл өңдеу әдісі EDM-ге қарағанда жетілдірілген. Әдістің дәлдігі жоғары және кірістілік деңгейі айтарлықтай жақсарды.
Өте жылдам лазерлерді талшықты арматураланған композиттік материалдарды дәл өңдеуге де қолдануға болады, ал өңдеу дәлдігін арттыру көміртекті талшық сияқты композиттік материалдарды аэроғарыштық және басқа да жоғары деңгейлі салаларда қолдануды кеңейтуге көмектеседі.
Зерттеу алаңы
2-фотонды полимерлеу технологиясы (2PP) «нано-оптикалық» 3D жарықпен қатайтатын жылдам прототиптеу технологиясына ұқсас басып шығару әдісі және футуролог Кристофер Барнатт бұл технологияның негізгі түрі болуы мүмкін деп санайды. 3D болашақта басып шығару. 2-фотонды полимерлеу технологиясының принципі «фемто2-ші импульстік лазерді» қолдану арқылы фотосезімтал шайырды іріктеп емдеу болып табылады. Бұл жылдам прототипті фотоқағару сияқты естіледі, айырмашылығы 2 фотонды полимерлеу технологиясы қол жеткізе алатын қабаттың минималды қалыңдығы мен XY осінің ажыратымдылығы 100 нм мен 200 нм аралығында болады. Басқаша айтқанда, 2PP 3D басып шығару технологиясы жарықпен емдеудің дәстүрлі қалыптау технологиясына қарағанда жүздеген есе дәлірек, ал басып шығарылған заттар бактерияларға қарағанда кішірек.
Қазіргі уақытта өте жылдам лазерлердің бағасы әлі де салыстырмалы түрде қымбат. Өнеркәсіптегі пионер ретінде, STYLECNC қазірдің өзінде өте жылдам лазерлік өңдеу жабдығын шығаруда және жақсы нарықтық кері байланысқа қол жеткізді. Ультра жылдам лазер технологиясына негізделген OLED модульдері үшін лазерлік дәлдікпен кесу жабдығы, ультра жылдам (пикосекунд/фемтосекунд) лазерлік таңбалау жабдығы, пико2-инфрақызыл дисплей экрандары үшін әйнек қисық лазермен өңдеу жабдығы және пико2-инфрақызыл шыны пластинкалары іске қосылды. лазерлік кесу машинасы, саусақ ізін сәйкестендіру модульдері үшін шыны қақпақты кесетін жабдық, икемді дисплейді жаппай өндіру желілері және ультра жылдам лазерлік өнімдер сериясы.
Жағымсыз жақтары
артықшылықтары
Ультражылдам лазер - лазер саласындағы маңызды даму бағыттарының бірі. Дамып келе жатқан технология ретінде ол дәл микро өңдеуде айтарлықтай артықшылықтарға ие. Ультра жылдам лазермен жасалған ультра қысқа импульс материалмен өте қысқа уақытқа әрекеттеседі және қоршаған материалдарға жылу әкелмейді, сондықтан ультра жылдам лазерлік өңдеу суық өңдеу деп те аталады. Өйткені, лазер импульсінің ені пико2 немесе фемто2 деңгейге жеткенде, молекулалық жылулық қозғалысқа әсер етуді едәуір дәрежеде болдырмауға болады, нәтижесінде термиялық әсер аз болады.
Мысалы, консервіленген жұмыртқаларды тұнық асхана пышағымен кескенде, біз консервіленген жұмыртқаларды ұсақ кесектерге кесеміз. Бөртпелерді тез кесетін ерекше өткір пышақ жиегі бар кесу әдісін таңдасаңыз, сақталған жұмыртқалар біркелкі және әдемі кесіледі. Бұл өте жылдам болудың артықшылығы.
Минус
Интегралды микросхемалар мен панельдер сияқты жоғары деңгейлі өндіріс салаларында лазерлік өңдеу жабдықтарына өте жоғары талаптар қойылады және технологиялық серпілістердің күткенге жетпей қалу қаупі бар.
Өте жылдам лазерлердің бағасы жоғары және жаңа лазер жеткізушісіне ауысу лазерлік жабдық өндірушілері үшін де, ең төменгі ағынды пайдаланушылар үшін де күткендей нарықты кеңейте алмау қаупі бар.
