Definición
El láser ultrarrápido es un tipo de láser pulsado ultracorto y ultraintenso con un ancho de pulso menor o dentro del nivel pico2 (10-12 s), que se define en función de la forma de onda de salida de energía. Esta definición está relacionada con los "fenómenos ultrarrápidos". El fenómeno ultrarrápido se refiere a un fenómeno que ocurre en un proceso físico, químico o biológico que cambia rápidamente en el sistema microscópico de la materia. En el sistema atómico y molecular, la escala de tiempo del movimiento de átomos y moléculas es del orden de picosegundos a femtosegundos. Por ejemplo, el período de rotación molecular es del orden de picosegundos y el período de vibración es del orden de femtosegundos. Cuando el ancho del pulso del láser alcanza el nivel de pico2 o femtosegundo, puede evitar en gran medida la influencia en el movimiento térmico general de las moléculas (el movimiento térmico de las moléculas es la esencia microscópica de la temperatura de la materia), y el material se genera en la escala de tiempo de vibración molecular. Influencia, de modo que al lograr el propósito del procesamiento, el efecto térmico se reduce en gran medida.
Tipos
Existen muchos métodos de clasificación para láseres, entre los cuales hay 4 métodos de clasificación más comúnmente utilizados, que incluyen la clasificación por sustancia de trabajo, la clasificación por forma de onda de salida de energía (modo de trabajo), la clasificación por longitud de onda de salida (color) y la clasificación por potencia.
Entre ellos, según la forma de onda de salida de energía, los láseres se pueden dividir en láseres continuos, láseres pulsados y láseres cuasicontinuos:
Láser Continuo
Es un láser que emite de forma continua formas de onda de energía estables durante las horas de trabajo. Se caracteriza por su alta potencia y puede procesar materiales de gran volumen y alto punto de fusión, como placas de metal.
Láser pulsado
Emite energía en forma de pulsos. Según el ancho del pulso, se puede dividir en láseres milisegundos, láseres microsegundos, dispositivos de apagado nanosegundos, láseres picosegundos, láseres femtosegundos y láseres attosegundos; por ejemplo, si un láser pulsado tiene un ancho de pulso del láser de salida de entre 2 y 2 ns, lo llamamos láseres nanosegundos, y así sucesivamente. Lo llamamos láseres picosegundos, láseres femtosegundos, láseres attosegundos y láseres ultrarrápidos. La potencia del láser pulsado es mucho menor que la del láser continuo, pero la precisión de procesamiento es mayor que la del láser continuo y, en general, cuanto más estrecho sea el ancho del pulso, mayor será la precisión de procesamiento.
Láser cuasi-CW
Puede emitir repetidamente un láser de energía relativamente alta dentro de un período determinado y, en teoría, también es un láser de pulso.
Las formas de onda de salida de energía de los tres láseres anteriores también se pueden describir mediante el parámetro "ciclo de trabajo". En el caso de un láser, el ciclo de trabajo se puede interpretar como la relación entre el tiempo de salida de energía del láser y el tiempo total dentro de un ciclo de pulso.
Ciclo de trabajo del láser CW (=1) > ciclo de trabajo del láser cuasi-CW > ciclo de trabajo del láser pulsado. Generalmente, cuanto más estrecho sea el ancho de pulso del láser pulsado, menor será el ciclo de trabajo.
En el campo del procesamiento de materiales, los láseres pulsados fueron inicialmente un producto de transición de los láseres continuos. Esto se debe a que la potencia de salida de los láseres continuos no puede ser muy alta debido a la influencia de factores como la capacidad de carga de los componentes centrales y el nivel de tecnología en la etapa inicial, y el material no se puede calentar hasta el punto de fusión. Lo anterior logra el propósito del procesamiento. Si se utilizan ciertos medios técnicos para concentrar la energía de salida del láser en un solo pulso, de modo que aunque la potencia total del láser no cambie, la potencia instantánea en el momento del pulso aumente considerablemente, lo que satisface los requisitos del procesamiento de materiales. Más tarde, la tecnología del láser continuo maduró gradualmente y se descubrió que el láser pulsado tiene una gran ventaja en la precisión del procesamiento. Esto se debe a que el efecto térmico del láser pulsado sobre los materiales es menor, y cuanto más estrecho es el ancho del pulso del láser, menor es el efecto térmico y más suave es el borde del material procesado, la precisión de mecanizado correspondiente es mayor.
Componentes
Dos requisitos básicos de los láseres ultrarrápidos: pulsos ultracortos de alta estabilidad y alta energía de pulso. En general, los pulsos ultracortos se pueden obtener mediante el uso de tecnología de bloqueo de modo, y la alta energía de pulso se puede obtener mediante el uso de tecnología de amplificación CPA. Los componentes principales involucrados incluyen osciladores, extensores, amplificadores y compresores. Entre ellos, la tecnología de oscilador y amplificador es la más difícil, y también es la tecnología principal de una empresa de fabricación de láseres ultrarrápidos.
Oscilador
En el oscilador, se obtienen pulsos láser ultrarrápidos utilizando una técnica de bloqueo de modo.
Stretcher
El estirador estira los pulsos de semilla femto2nd separándolos en el tiempo mediante diferentes longitudes de onda.
Amplificador
Se utiliza un amplificador chirriante para energizar completamente este pulso estirado.
Compresor
El compresor reúne los espectros amplificados de diferentes componentes y los restaura al ancho femto2, formando así pulsos láser femto2 con una potencia instantánea extremadamente alta.
Aplicaciones
En comparación con los láseres nano2nd y mili2nd, aunque la potencia general de los láseres ultrarrápidos es menor, debido a que actúa directamente sobre la escala de tiempo de las vibraciones moleculares del material, realiza un "procesamiento en frío" en el verdadero sentido, por lo que la precisión del procesamiento mejora enormemente.
Debido a sus diferentes características, los láseres continuos de alta potencia, los láseres pulsados no ultrarrápidos y los láseres ultrarrápidos presentan grandes diferencias en los campos de aplicación posteriores:
Los láseres continuos de alta potencia (y láseres casi continuos) se utilizan para cortar, sinterizar, soldadura, revestimiento de superficies, perforación, 3D Impresión de materiales metálicos.
Los láseres pulsados no ultrarrápidos se utilizan para marcar materiales no metálicos y procesar materiales de silicio. grabado de precisión de superficies metálicas, limpieza de superficies metálicas, soldadura de precisión de metales, micromecanizado de metales.
Los láseres ultrarrápidos se utilizan para cortar y soldar materiales transparentes como vidrio, PET y zafiro y materiales duros y quebradizos. marcado de precisión, cirugía oftálmica, pasivación microscópica y grabado de materiales.
Desde el punto de vista de su uso, los láseres de onda continua de alta potencia y los láseres ultrarrápidos casi no tienen una relación de sustitución mutua. Son como ejes y pinzas, y sus tamaños tienen sus propias ventajas y desventajas. Las aplicaciones posteriores de los láseres pulsados no ultrarrápidos tienen cierta superposición con los láseres continuos y los láseres ultrarrápidos. A partir de los resultados reales, bajo la misma aplicación, su potencia no es tan buena como la de los láseres continuos, y su precisión no es tan buena como la de los láseres ultrarrápidos. Lo más destacado es la relación coste-beneficio.
En particular, el láser ultravioleta nano2nd, aunque su ancho de pulso no alcanza el nivel pico2nd, pero la precisión de procesamiento ha mejorado considerablemente en comparación con otros láseres nano2nd de color, se ha utilizado ampliamente en el procesamiento y la fabricación de productos 3C. En el futuro, a medida que disminuya el costo de los láseres ultrarrápidos, es posible que ocupe el mercado del ultravioleta nano2nd.
Los láseres ultrarrápidos permiten realizar un procesamiento en frío en un sentido real y tienen ventajas significativas en el procesamiento de precisión. A medida que la tecnología de producción de láseres ultrarrápidos madura gradualmente, el costo disminuye gradualmente. En el futuro, se espera que se utilicen ampliamente en biología médica, aeroespacial, electrónica de consumo, pantallas de iluminación, entorno energético, maquinaria de precisión y otras industrias posteriores.
Cosmetologia medica
Los láseres ultrarrápidos se pueden utilizar en equipos de cirugía ocular médica y dispositivos cosméticos. El láser Femto2nd se utiliza en la cirugía de la miopía y se conoce como "otra revolución en la cirugía refractiva" después de la tecnología de aberración del frente de onda. El eje ocular de los pacientes miopes es más grande que el eje ocular normal, de modo que en el estado de relajación del globo ocular, el foco de los rayos de luz paralelos después de la refracción por el sistema refractivo del ojo cae delante de la retina. La cirugía láser Femto2nd puede eliminar el exceso de músculo en la dimensión axial y restaurar la distancia axial a la normalidad. La cirugía láser Femto2nd tiene las ventajas de alta precisión, alta seguridad, alta estabilidad, corto tiempo de operación y alta comodidad, y se ha convertido en uno de los métodos de cirugía de la miopía más comunes.
En términos de belleza, los láseres ultrarrápidos se pueden usar para eliminar pigmentos y lunares nativos, eliminar tatuajes y mejorar el envejecimiento de la piel.
Electrónica de Consumo:
Los láseres ultrarrápidos son adecuados para el procesamiento de materiales transparentes duros y quebradizos, el procesamiento de películas delgadas, el marcado de precisión, etc. en el proceso de fabricación de productos electrónicos de consumo. El vidrio templado y el zafiro de los teléfonos móviles son materiales duros, quebradizos y transparentes representativos en las materias primas de los productos electrónicos de consumo, especialmente el zafiro, debido a su alta dureza y alta fragilidad, la eficiencia y la tasa de rendimiento de los métodos de mecanizado tradicionales son muy bajas; el zafiro ahora se usa ampliamente Se usa ampliamente en relojes inteligentes, cubiertas de cámaras de teléfonos móviles, cubiertas de módulos de huellas dactilares, etc.; El láser ultravioleta nano2nd y el láser ultrarrápido son los principales medios técnicos para cortar zafiro en la actualidad, y el efecto de procesamiento del láser ultrarrápido es mejor que el del láser nano2nd ultravioleta. Además, los métodos de procesamiento utilizados por los módulos de cámara y los módulos de huellas dactilares son principalmente láseres nano2nd y pico2nd. Para el corte de pantallas flexibles de teléfonos móviles (pantallas plegables) y las correspondientes 3D En el futuro, la tecnología dominante en la perforación de vidrio probablemente serán los láseres ultrarrápidos.
Los láseres ultrarrápidos también tienen aplicaciones importantes en la fabricación de paneles. Se pueden utilizar para cortar polarizadores OLED, pelar y reparar durante la fabricación de LCD/OLED.
En el caso de los OLED, sus materiales poliméricos son especialmente sensibles a las influencias térmicas. Además, el tamaño y el espaciado de las celdas que se fabrican actualmente son muy pequeños, y el tamaño restante de procesamiento también es muy pequeño. El proceso tradicional de troquelado como antes ya no es adecuado para la actualidad. Las necesidades de producción de la industria y ahora existen requisitos de aplicación para pantallas de formas especiales y pantallas perforadas, que están más allá de las capacidades de la artesanía tradicional. De esta manera, se reflejan las ventajas de los láseres ultrarrápidos, especialmente los láseres ultravioleta pico2nd o incluso femto2nd, que tienen una pequeña zona afectada por el calor y son más adecuados para aplicaciones más flexibles como el procesamiento de curvas.
Microsoldadura
En el caso de medios sólidos transparentes como el vidrio, se producirán diversos fenómenos, como absorción no lineal, daño por fusión, formación de plasma, ablación y propagación de fibras, cuando el láser de pulsos ultracortos se propague en el medio. La figura muestra diversos fenómenos que se producen en la interacción entre el láser de pulsos ultracortos y el material sólido bajo diferentes densidades de potencia y escalas de tiempo.
Debido a que la tecnología de microsoldadura por láser de pulsos ultracortos no necesita insertar una capa intermedia, tiene alta eficiencia, alta precisión, no tiene efecto térmico macroscópico y tiene propiedades mecánicas y ópticas relativamente ideales después del tratamiento de microsoldadura, es muy adecuada para la microsoldadura de materiales transparentes como el vidrio. Por ejemplo, los investigadores han soldado con éxito tapas de extremo a fibras ópticas estándar y microestructuradas utilizando pulsos de 70 fs y 250 kHz.
Iluminación de pantalla
La aplicación de láseres ultrarrápidos en el campo de la iluminación de pantallas se refiere principalmente al trazado y corte de obleas LED. Este es otro ejemplo de que los láseres ultrarrápidos son adecuados para procesar materiales duros y frágiles. El procesamiento con láser ultrarrápido tiene una alta planitud de la sección transversal y reduce significativamente el astillado de los bordes. La eficiencia y la precisión mejoran enormemente.
Energía fotovoltaica
Los láseres ultrarrápidos tienen un amplio campo de aplicación en la fabricación de células fotovoltaicas. Por ejemplo, en la fabricación de baterías de película fina CIGS, los láseres ultrarrápidos pueden reemplazar el proceso de rayado mecánico original y mejorar significativamente la calidad del rayado, especialmente para los enlaces de rayado P2 y P3, que pueden lograr casi ningún astillado, grietas ni tensión residual.
Aeroespacial
Para mejorar el rendimiento y la vida útil de las palas de turbina, y luego mejorar el rendimiento del motor, es necesario adoptar la tecnología de enfriamiento de película de aire, que plantea requisitos extremadamente altos para la tecnología de procesamiento de orificios de película de aire. En 2018, el Instituto de Óptica y Mecánica de Xi'an desarrolló la energía de pulso único más alta en China. El láser de fibra femto26nd de grado industrial de 2 vatios, y desarrolló una serie de equipos de fabricación extrema de láser ultrarrápido, logró un gran avance en el "procesamiento en frío" de orificios de película de aire en las palas de turbinas de motores aeronáuticos, llenando el vacío nacional. Este método de procesamiento es más avanzado que la electroerosión. La precisión del método es mayor y la tasa de rendimiento se mejora enormemente.
Los láseres ultrarrápidos también se pueden aplicar al mecanizado de precisión de materiales compuestos reforzados con fibra, y la mejora de la precisión del mecanizado ayudará a expandir la aplicación de materiales compuestos como la fibra de carbono en la industria aeroespacial y otros campos de alta gama.
Campo de investigación
La tecnología de polimerización de 2 fotones (2PP) es una tecnología "nano-óptica". 3D método de impresión, similar a la tecnología de creación rápida de prototipos con curado por luz, y el futurista Christopher Barnatt cree que esta tecnología puede convertirse en una forma generalizada de 3D La impresión en el futuro. El principio de la tecnología de polimerización de 2 fotones es curar selectivamente la resina fotosensible mediante el uso de un "láser de pulso femto2nd". Suena como un prototipado rápido con fotocurado, la diferencia es que el espesor mínimo de capa y la resolución del eje XY que puede lograr la tecnología de polimerización de 2 fotones están entre 100 nm y 200 nm. En otras palabras, 2PP 3D La tecnología de impresión es cientos de veces más precisa que la tecnología tradicional de moldeo por curado con luz y los elementos impresos son más pequeños que las bacterias.
En la actualidad, el precio de los láseres ultrarrápidos sigue siendo relativamente caro. Como pionero en la industria, STYLECNC Ya está produciendo equipos de procesamiento láser ultrarrápido y ha obtenido una buena respuesta del mercado. Se han lanzado equipos de corte de precisión láser para módulos OLED basados en tecnología láser ultrarrápida, equipos de marcado láser ultrarrápido (picosegundo/femtosegundo), equipos de procesamiento láser de biselado de vidrio para pantallas de visualización infrarrojas pico2nd y obleas de vidrio infrarrojas pico2nd. Se han lanzado equipos de corte láser, máquinas de corte invisible automático de LED, obleas de semiconductores máquina de corte por láser, equipos de corte de cubiertas de vidrio para módulos de identificación de huellas dactilares, líneas de producción en masa de pantallas flexibles y una serie de productos láser ultrarrápidos.
Pros y Contras
Ventajas
El láser ultrarrápido es una de las principales líneas de desarrollo en el campo láser. Como tecnología emergente, ofrece ventajas significativas en el micromecanizado de precisión. El pulso ultracorto generado por el láser ultrarrápido interactúa con el material durante un tiempo muy breve y no transmite calor a los materiales circundantes. Por ello, el procesamiento láser ultrarrápido también se denomina procesamiento en frío. Esto se debe a que, cuando el ancho del pulso láser alcanza el nivel pico2 o femto2, se puede evitar en gran medida la influencia en el movimiento térmico molecular, lo que resulta en una menor influencia térmica.
Por ejemplo, cuando cortamos huevos en conserva con un cuchillo de cocina sin filo, a menudo los cortamos en trozos finos. Si eliges un método de corte con un filo especialmente afilado que corte los restos rápidamente, los huevos en conserva se cortarán de manera uniforme y hermosa. Esa es la ventaja de ser súper rápido.
Desventajas
Las industrias manufactureras de alta gama, como las de circuitos integrados y paneles, tienen requisitos extremadamente altos para los equipos de procesamiento láser y existe el riesgo de que los avances tecnológicos no cumplan con las expectativas.
El precio de los láseres ultrarrápidos es elevado y cambiar a un nuevo proveedor de láser conlleva el riesgo de no poder ampliar el mercado como se espera, tanto para los fabricantes de equipos láser como para los usuarios más avanzados.
