Laser se smatra jednim od najvećih izuma u 20 stoljeću. Sa završetkom tri industrijske revolucije, laser će biti ključni za vođenje četvrte industrijske revolucije. Pojava lasera uvelike je potaknula razvoj industrije. Laser je postao najnaprednije i široko korišteno sredstvo u obradi zbog svojih prednosti, kao što su velika snaga, lako fokusiranje, velika svjetlina i dobra usmjerenost. Laserska obrada ima prednosti velike preciznosti, velike brzine i niske cijene. Može se automatski kontrolirati računalnim programiranjem. Može obrađivati strukturu složenim oblikom. Budući da se radi o beskontaktnoj obradi, neće oštetiti materijal i siguran je i pouzdan.
Klasifikacija i karakteristike laserske obrade
Prema mehanizmu interakcije lasera i materije, lasersku obradu možemo podijeliti u dvije kategorije: laserska termička obrada i netermička obrada. Vrste lasera koji se koriste u termičkoj obradi i u termičkoj obradi su različite. Dugo-pulsni laser ili kontinuirani laser obično se koristi u termičkoj obradi, a ultrasortni pulsni laser poput picosekunde i femtosekunde obično se koristi u netermičkoj obradi.
Laserska termička obrada koristi toplinski učinak koji nastaje u procesu laserskog zračenja materijala. Molekularni sustav ozračenih materijala mora neprestano dobivati energiju od zračenja laserom i pretvarati je u svoju unutarnju energiju. Temperatura ozračenog područja naglo se podiže kako bi se postigla talište i vrelište materijala, taljenje i uklanjanje te postigla svrha prerade. Budući da je potrebno dugo vremena da se energija lasera pretvori u unutarnju energiju molekularnog sustava, laser dugog impulsa često se koristi u termičkoj obradi. Ova metoda obrade je jednostavna i izravna i široko se koristi u industrijskoj proizvodnji, kao što su lasersko rezanje, proizvodnja laserskih aditiva itd. Međutim, zbog neizbježne toplinske difuzije u obradi, točnost i hrapavost laserske termičke obrade ograničeni su.
Netermička obrada znači korištenje nelinearnih učinaka (poput nelinearne ionizacije, površinskog raspršivanja itd.) Uzrokovanih poremećajem elektroničkog sustava materijala, tranzicijom i ionizacijom fotona apsorpcije elektrona, fizikalnim i kemijskim svojstvima materijali se potiču na promjenu, što dovodi do stvaranja novih efekata (poput polimerizacije dva fotona, laserskog samo-sklapanja itd.), koristeći ove nove efekte za postizanje povećanja. Svrha točnosti i optimizacije obrade. Budući da se razmjena energije između elektronskog sustava i lasera može dovršiti u trenu, netermička obrada obično koristi ultrazračni impulsni laser. Ova metoda ima visoku preciznost i razne metode obrade, što je jedna od žarišta istraživanja u području laserske obrade.
Prednosti i nedostaci tradicionalne femtosekundne laserske obrade
Ultra-visoka vršna snaga i ultra kratko trajanje impulsa dvije su glavne prednosti femtosekundnog lasera. Izuzetno visoka vršna snaga dovoljna je za izazivanje različitih nelinearnih učinaka, što obogaćuje laserske metode obrade. Ultra brze vremenske karakteristike također čine proces interakcije između femtosekundnog lasera i materijala vrlo kratkim. Svjetlosna energija koju apsorbira područje laserskog zračenja ne može se prenijeti ni na druga područja kako bi se osiguralo da se energija lasera može precizno taložiti u rasponu zračenja i ostvariti ultrafina obrada.
Trenutno se femtosekundni laser naširoko koristi u području mikro i nano obrade, uglavnom uključujući lasersko izravno pisanje i lasersku masku. Međutim, zbog difrakcijske granice obradnog sustava, nemoguće je smanjiti područje laserskog ozračenja bez ograničenja, što ograničava daljnje poboljšanje preciznosti obrade. U isto vrijeme, zbog različitih nelinearnih karakteristika različitih materijala, femtosekundna laserska obrada snažno ovisi o materijalima. Ista metoda obrade često pokazuje različite efekte obrade za različite materijale.
Prednosti ultraljubičaste femtosekundne laserske obrade
S razvojem moderne industrije povećava se zahtjev za točnošću obradbe, a jedan od glavnih čimbenika koji utječu na točnost laserske obrade je granica difrakcije obradnog sustava. Granica difrakcije fizički je parametar koji opisuje točnost slike ili obrade optičkog sustava. Što je granica difrakcije manja, to je veća preciznost obrade. Općenito, granica difrakcije izravno je proporcionalna valnoj duljini upadne svjetlosti, tako da smanjenje laserske valne duljine postaje najizravnije i najučinkovitije sredstvo za poboljšanje difrakcijske granice. Na primjer, tehnologija UV litografije koja se široko koristi u trenutnoj industriji je poboljšati točnost obrade smanjujući lasersku valnu duljinu.
UV laser odnosi se na laser čija je valna dužina manja od 380 nm. U usporedbi s valnom duljinom koju obično koristi femtosekundni laser (uglavnom u opsegu vidljive svjetlosti, 380 nm-760nm), točnost obrade UV femtosekundnim laserom je veća. Istodobno, zbog kratke valne duljine ultraljubičastog femtosekundnog lasera i velike energije jednog fotona, fotoni mogu izravno prekinuti vezivne molekule ili atome, što je u osnovi fotokemijska reakcija, u osnovi bez fenomena taljenja. ograničavajući utjecaj toplinskog učinka. S druge strane, UV pojas osjetljiv je pojas mnogih polimera, poput fotorezista. Ti će polimeri stvoriti učinak dvofotonske polimerizacije pod zračenjem ultraljubičastog femtosekundnog lasera, zbog čega tečni koloidni polimerizira u čvrstu tvar s velikom mehaničkom čvrstoćom. Nakon obrade, fotoresist će se isprati, a može se dobiti željena struktura. Korištenjem ovog principa može se provesti super fina 3 D struktura strukture.
Karakteristike i prednosti femtosekundne obrade u vektorskom i vrtlognom polju
Tradicionalna femtosekunda laserske obrade uglavnom se fokusira na energetske karakteristike lasera. Nelinearni učinak materijala induciran je ultra-visokom energijom femtosekundnog laserskog polja kako bi se postigla svrha obrade. U procesu interakcije svjetla i materije dolazi ne samo do apsorpcije energije, već i do razmjene zamaha, što znači da novi laserski mod može dati punu prednost svojim prednostima u području femtosekundne obrade.
Vektorsko polje i vrtlogno polje su dva najtipičnija nova laserska načina. Njihove prostorne topološke karakteristike polarizacije i faze čine da polje ima neka posebna fizička svojstva. Na primjer, vektorsko polje može se konvergirati u žarište iznad granice difrakcije, koja je manjih dimenzija, pa je i točnost obrade veća. S druge strane, moment fotona pod uglom koji nosi samo polje može zamijeniti zamah sa materijom. Na primjer, vrtložno svjetlosno polje sa spiralnom faznom strukturom nosi foton orbitalni moment kutova, koji pokreće čestice da se okreću oko fiksne osi; kružno polarizirana svjetlost s desne ili desne strane nosi fotokutni moment okretanja fotona, što može izazvati okretanje čestica; vektorsko svjetlosno polje čije se stanje polarizacije mijenja s prostornim položajem može pokazati interakciju između momenta ugla. Na isti način, momentne karakteristike vektorskog i vrtlognog polja mogu se koristiti i u femtosekundnoj laserskoj obradi, poput upotrebe vrtložnih polja za induciranje kiralnih struktura, upotrebe vektorskih polja za indukciju složenih obrazaca i tako dalje.
U usporedbi s tradicionalnom femtosekundnom laserskom obradom, vektorsko i vrtložno polje femtosekundne laserske obrade proizvedene ultrazvučnim laserskim sustavom velike snage s kontroliranim svojstvima prostora i vremena čini strukturu obrade raznorodnom i kompliciranom. Dizajniranjem fazne i polarizacijske raspodjele svjetlosnog polja možemo dobiti različite površinske uzorke, pa čak i složenu trodimenzionalnu topologiju. Korištenjem femtosekundne tehnologije laserskog oblikovanja impulsa u kombinaciji s tehnologijom modulacije svjetlosti prostor-vrijeme i tehnologijom fokusiranja u prostoru i vremenu za moduliranje ultrabrzinog laserskog impulsa u vremenskoj i frekvencijskoj domeni, te ostvariti trodimenzionalnu mikro-nano obradu i praktičnu primjenu u različitim materijalima , Očekuje se da će ove tehnologije igrati važnu ulogu u novoj integriranoj optici i mikro nano-optici.
Prednosti i potencijalne primjene ultraljubičastog, vektorskog i vrtložnog femtosekundnog svjetlosnog polja
Uz kontinuirani razvoj industrije, tradicionalna tehnologija femtosekundne laserske obrade ne može zadovoljiti rastuću industrijsku potražnju, pa je mora razvijati i optimizirati. UV femtosekundna tehnologija laserske obrade učinkovit je način za poboljšanje točnosti obrade i ima veliku primjenu u industrijskoj proizvodnji. Femtosekundna tehnologija laserske obrade vektora i vrtlog polja promijenila je tradicionalni način pojedinačne obrade, učinivši lasersku obradu fleksibilnijom i raznovrsnijom. Osim toga, tehnologija laserske obrade UV vektora i vrtlog femtosekunde također je praksa i provjera teorije interakcije svjetla i materije, što je korisno za otkrivanje dubljeg fizičkog mehanizma i ima pozitivan znanstveni značaj.