Лазер считается одним из величайших изобретений в 20 веке. С окончанием трех промышленных революций лазер станет ключом к четвертой промышленной революции. Появление лазера в значительной степени способствовало развитию отрасли. Лазер стал самым передовым и широко используемым средством обработки благодаря его преимуществам, таким как высокая мощность, легкая фокусировка, высокая яркость и хорошая направленность. Лазерная обработка имеет преимущества высокой точности, высокой скорости и низкой стоимости. Им можно автоматически управлять с помощью компьютерного программирования. Это может обработать структуру со сложной формой. Поскольку это бесконтактная обработка, она не повредит материал и является безопасной и надежной.
Классификация и характеристики лазерной обработки
По механизму взаимодействия лазера с веществом лазерную обработку можно разделить на две категории: лазерная термическая обработка и нетепловая обработка. Типы лазеров, используемых в термической и нетепловой обработке, различны. Длинноимпульсный лазер или непрерывный лазер обычно используется в термической обработке, а ультракороткий импульсный лазер, такой как пикосекунда и фемтосекунда, обычно используется в нетепловой обработке.
В лазерной термической обработке используется тепловой эффект, возникающий в процессе лазерного облучения материалов. Молекулярная система облученных материалов должна постоянно получать энергию от лазерного излучения и преобразовывать ее в свою внутреннюю энергию. Температура облучаемой области резко возрастает, чтобы достичь точки плавления и точки кипения материалов, плавления и удаления, а также достичь цели обработки. Поскольку для преобразования энергии лазера во внутреннюю энергию молекулярной системы требуется много времени, в термообработке часто используется лазер с длинными импульсами. Этот метод обработки является простым и прямым и широко используется в промышленном производстве, таком как лазерная резка, изготовление лазерных добавок и т. Д. Однако из-за неизбежной термодиффузии при обработке точность и шероховатость лазерной термической обработки ограничены.
Нетепловая обработка заключается в использовании нелинейных эффектов (таких как нелинейная ионизация, поверхностное рассеяние и т. Д.), Вызванных возмущением электронной системы материалов, посредством перехода и ионизации фотонов поглощения электронов, физических и химических свойств материалы индуцируются к изменению, что приводит к появлению некоторых новых эффектов (таких как двухфотонная полимеризация, лазерная самосборка и т. д.), использующих эти новые эффекты для достижения цели повышения точности обработки и оптимизации. Поскольку обмен энергией между электронной системой и лазером может быть завершен в одно мгновение, для нетепловой обработки обычно используется лазер с ультракороткими импульсами. Этот метод обладает высокой точностью и разнообразными методами обработки, что является одним из исследований горячих точек в области лазерной обработки.
Преимущества и недостатки традиционной фемтосекундной лазерной обработки
Сверхвысокая пиковая мощность и сверхкороткая длительность импульса являются двумя основными преимуществами фемтосекундного лазера. Сверхвысокой пиковой мощности достаточно, чтобы вызывать различные нелинейные эффекты, что обогащает методы лазерной обработки. Сверхбыстрые временные характеристики также делают процесс взаимодействия между фемтосекундным лазером и материалами очень коротким. Энергия света, поглощенная областью лазерного облучения, даже не может быть перенесена в другие области, чтобы гарантировать, что энергия лазера может быть точно отведена в диапазоне облучения и реализовать сверхтонкую обработку.
В настоящее время фемтосекундный лазер широко используется в области микро- и нанообработки, в основном, в том числе лазерного прямого письма и лазерной маски. Однако из-за дифракционного предела системы обработки невозможно уменьшить зону лазерного облучения без ограничений, что ограничивает дальнейшее повышение точности обработки. В то же время из-за различных нелинейных характеристик разных материалов фемтосекундная лазерная обработка сильно зависит от материалов. Один и тот же метод обработки часто показывает разные эффекты обработки для разных материалов.
Преимущества ультрафиолетовой фемтосекундной лазерной обработки
С развитием современной промышленности требования к точности обработки возрастают, и одним из основных факторов, влияющих на точность лазерной обработки, является дифракционный предел системы обработки. Дифракционный предел - это физический параметр, описывающий точность изображения или обработки оптической системы. Чем меньше дифракционный предел, тем выше точность обработки. Как правило, дифракционный предел прямо пропорционален длине волны падающего света, поэтому уменьшение длины волны лазера становится наиболее прямым и эффективным средством улучшения дифракционного предела. Например, технология УФ-литографии, широко используемая в современной промышленности, заключается в повышении точности обработки за счет уменьшения длины волны лазера.
Ультрафиолетовый лазер относится к лазеру, длина волны которого составляет менее 380 нм. По сравнению с длиной волны, обычно используемой фемтосекундным лазером (в основном в полосе видимого света, 380 нм-760 нм), точность обработки УФ-фемтосекундного лазера выше. В то же время, благодаря короткой длине волны ультрафиолетового фемтосекундного лазера и большой энергии одиночного фотона, фотоны могут непосредственно обрывать связывающие связи молекул или атомов, что по существу является фотохимической реакцией, в основном без явления плавления, таким образом ограничение влияния теплового эффекта. С другой стороны, УФ-полоса является чувствительной полосой многих полимеров, таких как фоторезисты. Эти полимеры будут производить эффект двухфотонной полимеризации под воздействием ультрафиолетового фемтосекундного лазера, который превращает протекающий коллоидный полимеризатор в твердое вещество с высокой механической прочностью. После обработки фоторезист вымывается, и желаемая структура может быть получена. Используя этот принцип, можно выполнить сверхтонкую обработку 3 D-структуры.
Характеристики и преимущества фемтосекундной обработки в векторных и вихревых полях
Традиционная фемтосекундная лазерная обработка в основном фокусируется на энергетических характеристиках лазера. Нелинейное воздействие материалов индуцируется сверхвысокой энергией фемтосекундного лазерного поля для достижения цели обработки. В процессе взаимодействия между светом и веществом происходит не только поглощение энергии, но и обмен импульсом, что означает, что новая лазерная мода может в полной мере использовать свои преимущества в области фемтосекундной обработки.
Векторное поле и вихревое поле являются двумя наиболее типичными новыми лазерными модами. Их пространственные топологические характеристики поляризации и фазы придают полю особые физические свойства. Например, векторное поле может сходиться к фокальному пятну за пределами дифракционного предела, который меньше по размеру, поэтому точность обработки выше. С другой стороны, момент импульса фотона, переносимый самим полем, может обмениваться импульсом с веществом. Например, вихревое световое поле со спиральной фазовой структурой несет орбитальный момент импульса фотона, который заставляет частицы вращаться вокруг неподвижной оси; левый или правосторонний циркулярно поляризованный свет несет момент импульса вращения фотона, который может побуждать частицы вращаться; векторное световое поле, состояние поляризации которого изменяется с пространственным положением, может показать взаимодействие между моментом импульса. Точно так же импульсные характеристики векторных и вихревых полей могут также использоваться при фемтосекундной лазерной обработке, например, использование вихревых полей для индукции киральных структур, использование векторных полей для создания сложных схем и так далее.
По сравнению с традиционной фемтосекундной лазерной обработкой обработка фемтосекундным лазером векторного и вихревого полей, производимая мощной ультрафиолетовой лазерной системой с управляемыми пространственно-временными характеристиками, делает структуру обработки разнообразной и сложной. Проектируя распределение фазы и поляризации светового поля, мы можем получить различные структуры поверхности и даже сложную трехмерную топологию. Использование технологии формирования фемтосекундного лазерного импульса в сочетании с технологией пространственно-временной модуляции света и технологией пространственно-временной фокусировки для модуляции сверхбыстрого лазерного импульса во временной и частотной областях, а также для реализации трехмерной обработки микро-нано и практического применения в различных материалах , Ожидается, что эти технологии будут играть важную роль в новой интегрированной оптике и микро нанооптике.
Преимущества и потенциальные применения ультрафиолетового, векторного и вихревого фемтосекундных световых полей
С непрерывным развитием отрасли традиционная технология фемтосекундной лазерной обработки не может удовлетворить растущий промышленный спрос, поэтому ее необходимо развивать и оптимизировать. Технология УФ-фемтосекундной лазерной обработки является эффективным способом повышения точности обработки и имеет большое значение для промышленного производства. Технология фемтосекундной лазерной обработки векторного и вихревого полей изменила традиционный режим одиночной обработки, сделав лазерную обработку более гибкой и разнообразной. Кроме того, технология УФ-векторной и вихревой фемтосекундной лазерной обработки также является практикой и проверкой теории взаимодействия света и вещества, которая помогает выявить более глубокий физический механизм и имеет положительное научное значение.