Laseren betragtes som en af de største opfindelser i det 20 århundrede. Efter afslutningen af tre industrielle omdrejninger vil laseren være nøglen til at føre den fjerde industrielle revolution. Fremkomsten af laser har i høj grad fremmet udviklingen af industrien. Laseren er blevet det mest avancerede og mest anvendte middel til bearbejdning på grund af dets fordele såsom høj effekt, let fokus, høj lysstyrke og god direktivitet. Laserbehandling har fordelene ved høj præcision, høj hastighed og lave omkostninger. Det kan styres automatisk ved hjælp af computerprogrammering. Det kan behandle strukturen med en kompleks form. Da det er behandling uden kontakt, vil det ikke skade materialet og er sikkert og pålideligt.
Klassificering og egenskaber ved laserbehandling
I henhold til mekanismen for interaktion mellem laser og stof, kan laserbehandling opdeles i to kategorier: laser termisk behandling og ikke-termisk behandling. De typer laser, der bruges til termisk behandling og ikke-termisk behandling, er forskellige. Langpulslaseren eller kontinuerlig laser bruges normalt til termisk behandling, og ultrashortpulslaseren, såsom picosekund og femtosekund, bruges normalt til ikke-termisk behandling.
Laser termisk behandling bruger den termiske effekt, der er produceret i processen med laserbestråling af materialer. Det bestrålede materiales molekylære system har konstant behov for at hente energi fra laserbestrålingen og omdanne den til sin egen indre energi. Temperaturen i det bestrålede område stiger kraftigt for at opnå smeltepunkt og kogepunkt for materialer, smelte og fjerne og opnå formålet med forarbejdningen. Fordi det tager lang tid, før laserens energi omdannes til det indre energi i molekylsystemet, bruges ofte lang pulslaser til termisk behandling. Denne behandlingsmetode er enkel og direkte og er blevet vidt brugt i industriel fremstilling, såsom laserskæring, laseradditivfremstilling osv. På grund af den uundgåelige termiske diffusion i behandlingen er nøjagtigheden og ujævnheden af laser termisk behandling imidlertid begrænset.
Ikke-termisk behandling er at bruge de ikke-lineære effekter (såsom ikke-lineær ionisering, overfladespredning osv.) Forårsaget af forstyrrelse af det elektroniske materialesystem, gennem overgangen og ioniseringen af elektronabsorptionsfotonerne, de fysiske og kemiske egenskaber af materialer induceres til at ændre sig, hvilket fører til generering af nogle nye effekter (såsom to-foton-polymerisation, laser-selvmontering osv.) ved hjælp af disse nye effekter til at opnå stigningen Formålet med bearbejdningsnøjagtighed og optimering. Da energiudvekslingen mellem elektronsystemet og laseren kan afsluttes på et øjeblik, bruger den ikke-termiske behandling normalt en ultrashort-pulslaser. Denne metode har høj præcision og forskellige behandlingsmetoder, som er en af forskningshotspoterne inden for laserbehandling.
Fordele og ulemper ved traditionel femtosekunders laserbehandling
Ultrahøj spidseffekt og ultrakort impulsvarighed er to hovedfordele ved femtosekundelaser. Den ultrahøjeste spidseffekt er nok til at inducere en række ikke-lineære effekter, hvilket beriger laserbehandlingsmetoderne. De ultrasnelle tidsegenskaber gør også interaktionsprocessen mellem femtosecond laser og materialer meget kort. Den lysenergi, der absorberes af laserbestrålingsområdet, kan ikke engang overføres til andre områder for at sikre, at laserenergien nøjagtigt kan deponeres i bestrålingsområdet og realisere en ultrafin bearbejdning.
På nuværende tidspunkt er femtosecond-laseren blevet udbredt brugt inden for mikro- og nano-behandling, hovedsageligt inklusive laser direkte skrivning og lasermaske. På grund af diffraktionsgrænsen for bearbejdningssystemet er det imidlertid umuligt at reducere laserbestrålingsområdet uden begrænsning, hvilket begrænser den yderligere forbedring af bearbejdningsnøjagtigheden. På grund af de forskellige ikke-lineære egenskaber ved forskellige materialer har femtosekunders laserbehandling samtidig en stærk afhængighed af materialer. Den samme behandlingsmetode viser ofte forskellige behandlingseffekter for forskellige materialer.
Fordele ved ultraviolet femtosekunders laserbehandling
Med udviklingen af moderne industri øges kravet om bearbejdningsnøjagtighed, og en af de vigtigste faktorer, der påvirker laserbearbejdningsnøjagtigheden, er diffraktionsgrænsen for bearbejdningssystemet. Diffraktionsgrænsen er en fysisk parameter, der beskriver billedbehandlingen eller behandlingsnøjagtigheden af et optisk system. Jo mindre diffraktionsgrænsen er, jo højere er behandlingsnøjagtigheden. Generelt er diffraktionsgrænsen direkte proportional med bølgelængden af det indfaldende lys, så reduktion af laserbølgelængden bliver det mest direkte og effektive middel til at forbedre diffraktionsgrænsen. F.eks. Er UV-litografiteknologien, der er meget anvendt i den nuværende industri, til at forbedre behandlingsnøjagtigheden ved at reducere laserbølgelængden.
UV-laser henviser til den laser, hvis bølgelængde er mindre end 380 nm. Sammenlignet med den bølgelængde, der ofte bruges af femtosecond laser (hovedsageligt i det synlige lysbånd, 380 nm-760nm), er behandlingsnøjagtigheden af UV femtosecond laser højere. På grund af den korte bølgelængde af den ultraviolette femtosekundslaser og den store energi fra et enkelt foton, kan fotoner direkte afskære bindingsbindingerne til molekyler eller atomer, hvilket i det væsentlige er en fotokemisk reaktion, dybest set uden smeltefænomen. begrænser påvirkningen af termisk effekt. På den anden side er UV-båndet det følsomme bånd for mange polymerer, såsom fotoresister. Disse polymerer vil producere en to-foton polymerisationseffekt under bestråling af ultraviolet femtosekundelaser, hvilket får den flydende kolloidpolymerisation til et fast stof med høj mekanisk styrke. Efter forarbejdning vaskes fotoresisten væk, og den ønskede struktur kan opnås. Ved at bruge dette princip kan superfin 3 D-strukturbehandling udføres.
Egenskaber og fordele ved femtosekundbearbejdning i vektor- og hvirvelfelter
Den traditionelle femtosekunders laserbehandling fokuserer hovedsageligt på laserens egenskaber. Den ikke-lineære effekt af materialer induceres af den ultra-høje energi fra femtosekunders laserfelt for at nå formålet med processen. I processen med interaktion mellem lys og stof er der ikke kun absorptionen af energi, men også udvekslingen af momentum, hvilket betyder, at den nye lasertilstand kan give fuld spil til dens fordele inden for femtosecond-behandling.
Vektorfeltet og virvelfeltet er to af de mest typiske nye lasertilstande. Deres rumlige topologiske egenskaber ved polarisering og fase gør, at marken har nogle specielle fysiske egenskaber. For eksempel kan vektorfeltet konvergere til fokuspunktet ud over diffraktionsgrænsen, som er mindre i størrelse, så bearbejdningsnøjagtigheden er højere. På den anden side kan det fotonvinkelmomentum, som bæres af selve feltet, udveksle momentum med sagen. For eksempel bærer hvirvellysfeltet med spiralfasestruktur fotonets orbitalvinkelmoment, som får partiklerne til at rotere omkring den faste akse; det venstrehåndede eller højrehåndede cirkulært polariserede lys bærer fotonets rotationsvinkelmoment, som kan få partiklerne til at rotere; vektorlysfeltet, hvis polariseringstilstand ændres med den rumlige position, kan vise samspillet mellem vinkelmomentet. På samme måde kan momentumkarakteristika for vektor- og virvelfelter også bruges i femtosekunders laserbehandling, såsom brugen af hvirvelfelter til at inducere chirale strukturer, brugen af vektorfelter til at inducere komplekse mønstre og så videre.
Sammenlignet med den traditionelle femtosekund laserbehandling gør vektor- og virvelfelt femtosekund laserbehandling produceret af det højeffektive ultraviolette lasersystem med kontrollerbare rumtidsegenskaber, at behandlingsstrukturen er diversificeret og kompliceret. Ved at designe fase- og polarisationsfordelingen af lysfeltet, kan vi få en række overflademønstre og endda kompleks tredimensionel topologi. Brug af femtosecond laserpulsformningsteknologi kombineret med plads-tid-lysmoduleringsteknologi og plads-tid-fokuseringsteknologi til at modulere den ultrahurtige laserpuls i tidsdomænet og frekvensområdet og realisere den tredimensionelle mikro-nano-behandling og praktisk anvendelse i forskellige materialer . Disse teknologier forventes at spille en vigtig rolle i ny integreret optik og mikro nano-optik.
Fordele og potentielle anvendelser af ultraviolette, vektor- og virvel femtosekundede lysfelter
Med den kontinuerlige udvikling af industrien kan den traditionelle femtosekunders laserbehandlingsteknologi ikke imødekomme den voksende industrielle efterspørgsel, så den skal udvikles og optimeres. UV femtosecond laserbehandlingsteknologi er en effektiv måde at forbedre behandlingsnøjagtigheden og har stor anvendelsesværdi i industriel fremstilling. Femtosekunders laserbehandlingsteknologi i vektor- og virvelfelt har ændret den traditionelle enkeltbearbejdningstilstand, hvilket gør laserbehandlingen mere fleksibel og mangfoldig. Derudover er UV-vektor og vortex femtosekund laserbehandlingsteknologi også praksis og verifikation af teorien om samspillet mellem lys og stof, hvilket er nyttigt at afsløre den dybere fysiske mekanisme og har en positiv videnskabelig betydning.