Definição
O laser ultrarrápido é um tipo de laser ultra-intenso e ultracurto pulsado com largura de pulso menor ou dentro do nível pico2nd (10-12s), que é definido com base na forma de onda de saída de energia. Esta definição está relacionada a "fenômenos ultrarrápidos". Fenômeno ultrarrápido se refere a um fenômeno que ocorre em um processo físico, químico ou biológico que muda rapidamente no sistema microscópico da matéria. No sistema atômico e molecular, a escala de tempo do movimento de átomos e moléculas é da ordem de picossegundos a femtossegundos. Por exemplo, o período de rotação molecular é da ordem de picossegundos, e o período de vibração é da ordem de femtossegundos. Quando a largura do pulso do laser atinge o nível de pico2nd ou femtossegundo, ele pode evitar amplamente a influência no movimento térmico geral das moléculas (o movimento térmico das moléculas é a essência microscópica da temperatura da matéria), e o material é gerado na escala de tempo da vibração molecular. Influência, de modo que, ao atingir o propósito do processamento, o efeito térmico é bastante reduzido.
Tipos
Existem muitos métodos de classificação para lasers, entre os quais há 4 métodos de classificação mais comumente usados, incluindo classificação por substância de trabalho, classificação por forma de onda de saída de energia (modo de trabalho), classificação por comprimento de onda de saída (cor) e classificação por potência.
Entre eles, de acordo com a forma de onda de saída de energia, os lasers podem ser divididos em lasers contínuos, lasers pulsados e lasers quase contínuos:
Laser Contínuo
É um laser que emite continuamente formas de onda de energia estáveis durante o horário de trabalho. É caracterizado por alta potência e pode processar materiais com grande volume e alto ponto de fusão, como placas de metal.
Laser Pulsado
Ele emite energia na forma de pulsos. De acordo com a largura do pulso, ele pode ser dividido em lasers mili2nd, lasers micro2nd, dispositivos de desligamento nano2nd, lasers pico2nd, lasers femto2nd e lasers atto2nd; por exemplo, se um laser de pulso A largura de pulso do laser de saída está entre 1-1000ns, que chamamos de lasers nano2nd e assim por diante. Chamamos lasers pico2nd, lasers femto2nd, lasers atto2nd e lasers ultrarrápidos. A potência do laser pulsado é muito menor do que a do laser contínuo, mas a precisão do processamento é maior do que a do laser contínuo e, em geral, quanto mais estreita a largura do pulso, maior a precisão do processamento.
Laser quase CW
Ele pode emitir repetidamente lasers de energia relativamente alta dentro de um certo período e, em teoria, também é um laser pulsado.
As formas de onda de saída de energia dos 3 lasers acima também podem ser descritas pelo parâmetro "duty cycle". Para um laser, o duty cycle pode ser interpretado como a razão do tempo de saída de energia do laser em relação ao tempo total dentro de um ciclo de pulso.
Ciclo de trabalho do laser CW (=1) > ciclo de trabalho do laser quasi-CW > ciclo de trabalho do laser pulsado. Geralmente, quanto mais estreita a largura do pulso do laser pulsado, menor o ciclo de trabalho.
No campo do processamento de materiais, os lasers pulsados foram inicialmente um produto de transição dos lasers contínuos. Isso ocorre porque a potência de saída dos lasers contínuos não pode ser muito alta devido à influência de fatores como a capacidade de carga dos componentes principais e o nível de tecnologia no estágio inicial, e o material não pode ser aquecido até o ponto de fusão. O acima atinge o propósito do processamento. Se certos meios técnicos forem usados para concentrar a energia de saída do laser em um único pulso, de modo que, embora a potência total do laser não mude, a potência instantânea no momento do pulso seja bastante aumentada, o que satisfaz os requisitos do processamento de materiais. Mais tarde, a tecnologia de laser contínuo amadureceu gradualmente e foi descoberto que o laser pulsado tem uma grande vantagem na precisão do processamento. Isso ocorre porque o efeito térmico do laser pulsado nos materiais é menor e, quanto mais estreita a largura do pulso do laser, menor o efeito térmico e mais lisa a borda do material processado, a precisão de usinagem correspondente é maior.
Componentes
2 principais demandas de lasers ultrarrápidos: pulso ultracurto de alta estabilidade e alta energia de pulso. Geralmente, pulsos ultracurtos podem ser obtidos usando tecnologia de bloqueio de modo, e alta energia de pulso pode ser obtida usando tecnologia de amplificação CPA. Os principais componentes envolvidos incluem osciladores, esticadores, amplificadores e compressores. Entre eles, a tecnologia de oscilador e amplificador são os mais difíceis, e também são a tecnologia principal de uma empresa de fabricação de laser ultrarrápido.
Oscilador
No oscilador, pulsos de laser ultrarrápidos são obtidos usando uma técnica de bloqueio de modo.
Maca
O esticador estica os pulsos de semente do femto2, separando-os no tempo por diferentes comprimentos de onda.
Amplificador
Um amplificador de chirp é usado para energizar completamente esse pulso esticado.
Compressor
O compressor reúne os espectros amplificados de diferentes componentes e os restaura à largura do femto2nd, formando assim pulsos de laser de femto2nd com potência instantânea extremamente alta.
Aplicações
Comparado com os lasers nano2nd e mili2nd, embora a potência geral dos lasers ultrarrápidos seja menor, porque eles atuam diretamente na escala de tempo das vibrações moleculares do material, eles realizam o "processamento a frio" no verdadeiro sentido, então a precisão do processamento é bastante melhorada.
Devido às diferentes características, os lasers contínuos de alta potência, os lasers pulsados não ultrarrápidos e os lasers ultrarrápidos apresentam grandes diferenças nos campos de aplicação posteriores:
Lasers contínuos de alta potência (e quase-contínuos) são usados para corte, sinterização, soldagem, revestimento de superfície, perfuração, 3D impressão de materiais metálicos.
Os lasers pulsados não ultrarrápidos são usados para marcação de materiais não metálicos, processamento de materiais de silício, gravação de precisão de superfícies metálicas, limpeza de superfícies metálicas, soldagem de precisão de metais, microusinagem de metais.
Os lasers ultrarrápidos são usados para cortar e soldar materiais transparentes, como vidro, PET e safira, e materiais duros e quebradiços, marcação de precisão, cirurgia oftálmica, passivação microscópica e ataque químico de materiais.
Do ponto de vista do uso, lasers CW de alta potência e lasers ultrarrápidos quase não têm relação de substituição mútua. Eles são como machados e pinças, e seus tamanhos têm suas próprias vantagens e desvantagens. As aplicações posteriores de lasers pulsados não ultrarrápidos têm alguma sobreposição com lasers contínuos e lasers ultrarrápidos. A partir dos resultados reais, sob a mesma aplicação, sua potência não é tão boa quanto a dos lasers contínuos, e sua precisão não é tão boa quanto a dos lasers ultrarrápidos. O mais proeminente é o desempenho de custo.
Especialmente o laser ultravioleta nano2nd, embora sua largura de pulso não atinja o nível pico2nd, mas a precisão do processamento é muito melhorada em comparação com outros lasers nano2nd coloridos, ele tem sido amplamente utilizado no processamento e fabricação de produtos 3C. No futuro, à medida que o custo dos lasers ultrarrápidos diminui, ele pode ocupar o mercado ultravioleta nano2nd.
Lasers ultrarrápidos realizam processamento a frio em um sentido real e têm vantagens significativas no processamento de precisão. À medida que a tecnologia de produção de lasers ultrarrápidos amadurece gradualmente, o custo diminui gradualmente. No futuro, espera-se que seja amplamente utilizado em biologia médica, aeroespacial, eletrônicos de consumo, display de iluminação, ambiente de energia, máquinas de precisão e outras indústrias downstream.
Cosmetologia Médica
Lasers ultrarrápidos podem ser usados em equipamentos de cirurgia ocular médica e dispositivos cosméticos. O laser Femto2nd é usado em cirurgia de miopia e é conhecido como "outra revolução em cirurgia refrativa" após a tecnologia de aberração de frente de onda. O eixo do olho de pacientes míopes é maior do que o eixo do olho normal, de modo que no estado de relaxamento do globo ocular, o foco de raios de luz paralelos após a refração pelo sistema refrativo do olho cai na frente da retina. A cirurgia a laser Femto2nd pode remover o excesso de músculo na dimensão axial e restaurar a distância axial ao normal. A cirurgia a laser Femto2nd tem as vantagens de alta precisão, alta segurança, alta estabilidade, tempo de operação curto e alto conforto, e se tornou um dos métodos de cirurgia de miopia mais populares.
Em termos de beleza, os lasers ultrarrápidos podem ser usados para remover pigmentos e verrugas nativas, remover tatuagens e melhorar o envelhecimento da pele.
Eletrônicos de Consumo:
Os lasers ultrarrápidos são adequados para processamento de materiais transparentes duros e quebradiços, processamento de filme fino, marcação de precisão, etc. no processo de fabricação de eletrônicos de consumo. O vidro temperado e a safira para celulares são materiais duros, quebradiços e transparentes representativos em matérias-primas de eletrônicos de consumo, especialmente a safira, devido à sua alta dureza e alta fragilidade, a eficiência e a taxa de rendimento dos métodos de usinagem tradicionais são muito baixas; a safira agora é amplamente utilizada. É amplamente utilizada em relógios inteligentes, capas de câmeras de celulares, capas de módulos de impressão digital, etc.; o laser ultravioleta nano2nd e o laser ultrarrápido são os principais meios técnicos para cortar safira atualmente, e o efeito de processamento do laser ultrarrápido é melhor do que o do laser nano2nd ultravioleta. Além disso, os métodos de processamento usados por módulos de câmera e módulos de impressão digital são principalmente lasers nano2nd e pico2nd. Para o corte de telas flexíveis de celulares (telas dobráveis) e o correspondente 3D perfuração de vidro no futuro, a tecnologia predominante provavelmente será lasers ultrarrápidos.
Lasers ultrarrápidos também têm aplicações importantes na fabricação de painéis. Lasers ultrarrápidos podem ser usados para cortar polarizadores OLED, descascar e reparar durante a fabricação de LCD/OLED.
Para OLEDs, seus materiais poliméricos são particularmente sensíveis a influências térmicas. Além disso, o tamanho e o espaçamento das células atualmente feitas são muito pequenos, e o tamanho de processamento restante também é muito pequeno. O processo tradicional de corte e vinco como antes não é mais adequado para hoje. As necessidades de produção da indústria, e agora há requisitos de aplicação para telas de formato especial e telas perfuradas, que estão além das capacidades dos ofícios tradicionais. Desta forma, os benefícios dos lasers ultrarrápidos são refletidos, especialmente os lasers ultravioleta pico2nd ou mesmo femto2nd, que têm uma pequena zona afetada pelo calor e são mais adequados para aplicações mais flexíveis, como processamento de curvas.
Micro Soldagem
Para meios sólidos transparentes, como vidro, vários fenômenos, como absorção não linear, dano por derretimento, formação de plasma, ablação e propagação de fibras ocorrerão quando o laser de pulso ultracurto se propagar no meio. A figura mostra vários fenômenos que ocorrem na interação entre o laser de pulso ultracurto e o material sólido sob diferentes densidades de potência e escalas de tempo.
Como a tecnologia de microssoldagem a laser de pulso ultracurto não precisa inserir uma camada intermediária, tem alta eficiência, alta precisão, nenhum efeito térmico macroscópico e tem propriedades mecânicas e ópticas relativamente ideais após o tratamento de microssoldagem, ela é muito adequada para microssoldagem de materiais transparentes, como vidro. Por exemplo, pesquisadores soldaram com sucesso tampas de extremidade a fibras ópticas padrão e microestruturadas usando pulsos de 70 fs e 250 kHz.
Iluminação do display
A aplicação de lasers ultrarrápidos no campo da iluminação de exibição refere-se principalmente à marcação e corte de wafers de LED. Este é outro exemplo de lasers ultrarrápidos sendo adequados para processar materiais duros e quebradiços. O processamento a laser ultrarrápido tem alta planura de seção transversal e lascamento de borda significativamente reduzido. A eficiência e a precisão são muito melhoradas.
Energia Fotovoltaica
Lasers ultrarrápidos têm amplo espaço de aplicação na fabricação de células fotovoltaicas. Por exemplo, na fabricação de baterias de filme fino CIGS, lasers ultrarrápidos podem substituir o processo de marcação mecânica original e melhorar significativamente a qualidade da marcação, especialmente para links de marcação P2 e P3, que podem atingir quase nenhum lascamento e nenhuma rachadura e estresse residual.
Indústria aeroespacial
Para melhorar o desempenho e a vida útil das lâminas da turbina e, em seguida, melhorar o desempenho do motor, é necessário adotar a tecnologia de resfriamento de filme de ar, que apresenta requisitos extremamente altos para a tecnologia de processamento de furos de filme de ar. Em 2018, o Instituto de Óptica e Mecânica de Xi'an desenvolveu a mais alta energia de pulso único na China. O laser de fibra femto26nd de nível industrial de 2 watts e desenvolveu uma série de equipamentos de fabricação extrema de laser ultrarrápidos, alcançou um avanço no "processamento a frio" de furos de filme de ar em lâminas de turbina de motor aeronáutico, preenchendo a lacuna doméstica. Este método de processamento é mais avançado do que o EDM. A precisão do método é maior e a taxa de rendimento é muito melhorada.
Lasers ultrarrápidos também podem ser aplicados à usinagem de precisão de materiais compostos reforçados com fibras, e a melhoria da precisão da usinagem ajudará a expandir a aplicação de materiais compostos, como fibra de carbono, na indústria aeroespacial e em outros campos de ponta.
Campo de pesquisa
A tecnologia de polimerização de 2 fótons (2PP) é uma tecnologia “nano-óptica” 3D método de impressão, semelhante à tecnologia de prototipagem rápida de fotopolimerização, e o futurista Christopher Barnatt acredita que essa tecnologia pode se tornar uma forma convencional de 3D impressão no futuro. O princípio da tecnologia de polimerização de 2 fótons é curar seletivamente a resina fotossensível usando "laser de pulso femto2nd". Parece prototipagem rápida de fotocura, a diferença é que a espessura mínima da camada e a resolução do eixo XY que a tecnologia de polimerização de 2 fótons pode atingir estão entre 100 nm e 200 nm. Em outras palavras, 2PP 3D a tecnologia de impressão é centenas de vezes mais precisa do que a tecnologia tradicional de moldagem por fotocura, e os objetos impressos são menores que bactérias.
Atualmente, o preço dos lasers ultrarrápidos ainda é relativamente caro. Como pioneiro na indústria, STYLECNC já está produzindo equipamentos de processamento a laser ultrarrápido e obteve um bom feedback do mercado. Equipamentos de corte de precisão a laser para módulos OLED baseados em tecnologia de laser ultrarrápido, equipamentos de marcação a laser ultrarrápidos (picosegundo/femtossegundo), equipamentos de processamento a laser para chanfradura de vidro para telas de exibição infravermelhas pico2nd e wafers de vidro infravermelho pico2nd foram lançados equipamentos de corte a laser, máquina de corte invisível automática de LED, wafer semicondutor máquina de corte a laser, equipamentos de corte de cobertura de vidro para módulos de identificação de impressão digital, linhas de produção em massa de displays flexíveis e uma série de produtos a laser ultrarrápidos.
Prós & Contras
Prós
O laser ultrarrápido é uma das direções de desenvolvimento importantes no campo do laser. Como uma tecnologia emergente, ele tem vantagens significativas na microusinagem de precisão. O pulso ultracurto gerado pelo laser ultrarrápido interage com o material por um tempo muito curto e não levará calor aos materiais ao redor, então o processamento a laser ultrarrápido também é chamado de processamento a frio. Isso ocorre porque, quando a largura do pulso do laser atinge o nível pico2nd ou femto2nd, a influência no movimento térmico molecular pode ser evitada em grande medida, resultando em menos influência térmica.
Por exemplo, quando cortamos ovos em conserva com uma faca de cozinha cega, geralmente cortamos os ovos em conserva em pedaços finos. Se você escolher um método de corte com uma lâmina de faca particularmente afiada que corte a sujeira rapidamente, os ovos em conserva serão cortados uniformemente e lindamente. Essa é a vantagem de ser super rápido.
Contras
Indústrias de manufatura de ponta, como circuitos integrados e painéis, têm requisitos extremamente altos para equipamentos de processamento a laser, e há o risco de avanços tecnológicos não atenderem às expectativas.
O preço dos lasers ultrarrápidos é alto, e mudar para um novo fornecedor de laser traz o risco de não conseguir expandir o mercado como esperado, tanto para os fabricantes de equipamentos a laser quanto para os usuários mais próximos.
