Es considera que el làser és una de les més grans invencions del segle 20. Amb el final de tres revolucions industrials, el làser serà la clau per liderar la quarta revolució industrial. L’aparició del làser ha afavorit molt el desenvolupament de la indústria. El làser s'ha convertit en el mitjà més avançat i àmpliament utilitzat en el mecanitzat a causa dels seus avantatges, com ara una gran potència, fàcil enfocament, alta brillantor i una bona directivitat. El processament amb làser té els avantatges d’una alta precisió, alta velocitat i baix cost. Es pot controlar automàticament mitjançant la programació de l’ordinador. Pot processar l'estructura amb una forma complexa. Com que es tracta d’un tractament sense contacte, no danyarà el material i és segur i fiable.
Classificació i característiques del processament làser
Segons el mecanisme d’interacció entre làser i matèria, el processament làser es pot dividir en dues categories: processament tèrmic amb làser i processament no tèrmic. Els tipus de làser utilitzats en processament tèrmic i no tèrmic són diferents. El làser de pols llarg o de làser continu s’utilitza generalment en processament tèrmic, i el làser d’impulsió d’ultrasort com el picosegon i el femtosegon se sol utilitzar en processament no tèrmic.
El processament tèrmic amb làser utilitza l’efecte tèrmic produït en el procés d’irradiació làser de materials. El sistema molecular dels materials irradiats necessita obtenir constantment energia de la irradiació amb làser i convertir-la en la seva pròpia energia interna. La temperatura de l’àrea irradiada augmenta bruscament per aconseguir el punt de fusió i punt d’ebullició dels materials, de fusió i eliminació, i aconseguir l’objectiu del processament. Com que triga molt a convertir-se l’energia del làser en l’energia interna del sistema molecular, el làser a pols llarg s’utilitza sovint en el processament tèrmic. Aquest mètode de processament és senzill i directe i s'ha utilitzat àmpliament en la fabricació industrial, com ara el tall amb làser, la fabricació d'additius làser, etc. Tot i això, a causa de la inevitable difusió tèrmica en el processament, la precisió i la rugositat del processament tèrmic amb làser són limitades.
El processament no tèrmic consisteix en utilitzar els efectes no lineals (com la ionització no lineal, la dispersió superficial, etc.) causada per la pertorbació del sistema electrònic de materials, mitjançant la transició i ionització dels fotons d’absorció d’electrons, les propietats físiques i químiques de Els materials són induïts a canviar, donant lloc a la generació d’alguns efectes nous (com la polimerització de dos fotons, l’autoassemblatge làser, etc.), utilitzant aquests nous efectes per aconseguir l’objectiu de la precisió i l’optimització del mecanitzat. Com que l’intercanvi d’energia entre el sistema d’electrons i el làser es pot completar en un instant, el processament no tèrmic sol utilitzar un làser d’impulsió d’ultrasort. Aquest mètode té una gran precisió i diversos mètodes de processament, que és un dels punts d’investigació en el camp del processament amb làser.
Avantatges i desavantatges del processament tradicional amb làser femtosegon
Els dos principals avantatges del làser femtosegon són dos avantatges principals de la potència extremadament alta i la durada del pols ultra curta. El poder pic ultra-alt és suficient per induir diversos efectes no lineals, que enriqueixen els mètodes de processament amb làser. Les característiques de temps ultra ràpid fan que el procés d'interacció entre làser femtosegon i materials sigui molt curt. L’energia lumínica absorbida per l’àrea d’irradiació del làser ni tan sols es pot transferir a altres zones, de manera que es garanteixi que l’energia làser es pugui dipositar amb precisió a l’interior d’irradiació i es realitzi un processament ultra fi.
Actualment, el làser femtosegon ha estat àmpliament utilitzat en el camp del processament micro i nano, incloent principalment escriptura directa amb làser i màscara làser. No obstant això, a causa del límit de difracció del sistema de mecanitzat, és impossible reduir l'àrea d'irradiació làser sense cap limitació, cosa que limita la millora de la precisió del mecanitzat. Al mateix temps, a causa de les diferents característiques no lineals de diferents materials, el processament femtosegon amb làser té una forta dependència dels materials. El mateix mètode de processament mostra sovint efectes de processament diferents per a materials diferents.
Avantatges del processament amb làser a femtosegons ultraviolats
Amb el desenvolupament de la indústria moderna, el requisit de precisió de mecanitzat augmenta, i un dels principals factors que afecten la precisió del mecanitzat amb làser és el límit de difracció del sistema de mecanitzat. El límit de difracció és un paràmetre físic que descriu la precisió d'imatge o de processament d'un sistema òptic. Com més petit sigui el límit de difracció, més gran és la precisió de processament. Generalment, el límit de difracció és directament proporcional a la longitud d’ona de la llum incidente, de manera que reduir la longitud d’ona del làser es converteix en el mitjà més directe i eficaç per millorar el límit de difracció. Per exemple, la tecnologia de litografia UV àmpliament utilitzada en la indústria actual és millorar la precisió de processament reduint la longitud d’ona del làser.
El làser UV es refereix al làser la longitud d'ona inferior a 380 nm. En comparació amb la longitud d’ona utilitzada habitualment pel làser femtosegon (principalment a la banda de llum visible, 380 nm-760nm), la precisió de processament del làser femtosegon UV és més elevada. Al mateix temps, a causa de la curta longitud d'ona del làser femtosegon ultraviolada i la gran energia d'un fotó únic, els fotons poden tallar directament els enllaços d'unió de molècules o àtoms, que és essencialment una reacció fotoquímica, bàsicament sense un fenomen de fusió, així limitant la influència de l'efecte tèrmic. D'altra banda, la banda ultraviolada és la banda sensible de molts polímers, com els fotoreresistes. Aquests polímers produiran un efecte de polimerització de dos fotons sota la irradiació del làser femtosegon ultraviolada, cosa que fa que el col·loide que flueix polimeritzi en un sòlid amb alta resistència mecànica. Després del processament, es rentarà la fotoresistència i es pot obtenir l'estructura desitjada. Utilitzant aquest principi, es pot dur a terme un processament de l'estructura D 3 D excel·lent.
Característiques i avantatges del mecanitzat femtosegon en camps vectorials i de vòrtex
El tractament tradicional amb làser femtosegonada se centra principalment en les característiques energètiques del làser. L’efecte no lineal dels materials és induït per l’energia ultra alta del camp làser femtosegoner, per tal d’aconseguir el propòsit de processament. En el procés d’interacció entre llum i matèria, no només hi ha l’absorció d’energia, sinó també l’intercanvi d’impuls, cosa que significa que el nou mode làser pot donar un ple joc als seus avantatges en el camp del processament femtosegon.
El camp Vector i el vòrtex són dos dels nous modes làser més típics. Les seves característiques topològiques espacials de polarització i fase fan que el camp tingui algunes propietats físiques especials. Per exemple, el camp vectorial pot convergir al punt focal més enllà del límit de difracció, que és de mida més petita, de manera que la precisió de mecanitzat és més alta. D'altra banda, el moment angular del fotó portat pel propi camp pot intercanviar impuls amb la matèria. Per exemple, el camp de llum de vòrtex amb estructura de fase espiral porta el moment angular orbital del fotó, que condueix les partícules a girar al voltant de l’eix fix; la llum polaritzada circular a mà esquerra o a la dreta transporta el moment angular de gir de fotó, que pot induir les partícules a girar; el camp de llum vectorial que l'estat de polarització canvia amb la posició espacial pot mostrar la interacció entre el moment angular. De la mateixa manera, les característiques d’impuls dels camps vectorials i vòrtex també es poden utilitzar en el processament làser femtosegoner, com ara l’ús de camps de vòrtex per induir estructures quirals, l’ús de camps vectorials per induir patrons complexos, etc.
En comparació amb el processament làser tradicional femtosegon, el processament làser femtosegon de vector i de vòrtex de camp produït pel sistema làser ultraviolada d’alta potència amb característiques espacials de temps controlables fa que l’estructura de processament sigui diversificada i complicada. Dissenyant la distribució de fase i polarització del camp de llum, podem obtenir una gran varietat de patrons de superfície i fins i tot una topologia tridimensional complexa. Utilitzant la tecnologia de conformació de pols de làser femtosegonda combinada amb la tecnologia de modulació de la llum d'espai-temps i la tecnologia d'enfocament d'espai-temps per a modular el pols de làser ultra ràpid en el domini de temps i freqüència, i realitzar el processament tridimensional de micro-nano i l'aplicació pràctica en diferents materials. . Es preveu que aquestes tecnologies juguin un paper important en la nova òptica integrada i la micro nanoptica.
Avantatges i aplicacions potencials de camps de llum femtosegones ultraviolada, vectorial i vòrtex
Amb el desenvolupament continu de la indústria, la tecnologia de processament làser femtosegonda tradicional no pot satisfer la creixent demanda industrial, per la qual cosa s’ha de desenvolupar i optimitzar. La tecnologia de processament làser femtosegonda UV és una forma eficaç de millorar la precisió del processament i té un gran valor d’aplicació en la fabricació industrial. La tecnologia de processament làser femtosegonda de camp vectorial i de vòrtex ha canviat el mode tradicional de processament únic, fent que el processament amb làser sigui més flexible i divers. A més, la tecnologia de processament amb làser femtosegund de vectors UV i vòrtex també és la pràctica i verificació de la teoria de la interacció entre la llum i la matèria, que és útil per revelar el mecanisme físic més profund i té una significació científica positiva.