Definition
Ultraschneller Laser ist ein Typ ultraintensiver ultrakurzer Pulslaser mit einer Pulsbreite von weniger als oder innerhalb der Picosekunden-Ebene (2-10 s), die auf der Grundlage der Energieausgabewellenform definiert ist. Diese Definition bezieht sich auf „ultraschnelle Phänomene“. Ultraschnelle Phänomene beziehen sich auf ein Phänomen, das in einem physikalischen, chemischen oder biologischen Prozess auftritt, der sich im mikroskopischen System der Materie schnell ändert. Im atomaren und molekularen System liegt die Zeitskala der Bewegung von Atomen und Molekülen in der Größenordnung von Pikosekunden bis Femtosekunden. Beispielsweise liegt die Periode der Molekülrotation in der Größenordnung von Pikosekunden und die Periode der Schwingung in der Größenordnung von Femtosekunden. Wenn die Laserpulsbreite die Ebene von Picosekunden oder Femtosekunden erreicht, kann sie den Einfluss auf die gesamte thermische Bewegung von Molekülen weitgehend vermeiden (die thermische Bewegung von Molekülen ist die mikroskopische Essenz der Temperatur der Materie) und das Material wird auf der Zeitskala der Molekülschwingung erzeugt. Einfluss, so dass beim Erreichen des Verarbeitungszwecks der thermische Effekt stark reduziert wird.
Zu den Arten
Es gibt viele Klassifizierungsmethoden für Laser, von denen vier am häufigsten verwendet werden: die Klassifizierung nach Arbeitssubstanz, die Klassifizierung nach Energieausgangswellenform (Arbeitsmodus), die Klassifizierung nach Ausgangswellenlänge (Farbe) und die Klassifizierung nach Leistung.
Unter ihnen können Laser je nach der Energieausgangswellenform in kontinuierliche Laser, gepulste Laser und quasi-kontinuierliche Laser unterteilt werden:
Dauerlaser
Es handelt sich um einen Laser, der während der Arbeitszeit kontinuierlich stabile Energiewellenformen ausgibt. Er zeichnet sich durch hohe Leistung aus und kann Materialien mit großem Volumen und hohem Schmelzpunkt, wie beispielsweise Metallplatten, verarbeiten.
Gepulster Laser
Es gibt Energie in Form von Impulsen ab. Je nach Impulsbreite kann es weiter in Millisekundenlaser, Mikrosekundenlaser, Nanosekunden-Abschaltgeräte, Pico-Sekundenlaser, Femto-Sekundenlaser und Atto-Sekundenlaser unterteilt werden. Wenn beispielsweise ein Impulslaser eine Impulsbreite des Ausgangslasers zwischen 2 und 2 ns hat, nennen wir dies Nanosekundenlaser usw. Wir nennen dies Pico-Sekundenlaser, Femto-Sekundenlaser, Atto-Sekundenlaser und Ultrakurzpulslaser. Die Leistung des Impulslasers ist viel geringer als die des Dauerlasers, aber die Verarbeitungsgenauigkeit ist höher als die des Dauerlasers. Im Allgemeinen gilt: Je schmaler die Impulsbreite, desto höher die Verarbeitungsgenauigkeit.
Quasi-CW-Laser
Er kann innerhalb eines bestimmten Zeitraums wiederholt relativ energiereiche Laserstrahlen abgeben und ist theoretisch auch ein Pulslaser.
Die Energieabgabewellenformen der oben genannten drei Laser können auch durch den Parameter „Arbeitszyklus“ beschrieben werden. Bei einem Laser kann der Arbeitszyklus als Verhältnis der Zeit der Laserenergieabgabe zur Gesamtzeit innerhalb eines Pulszyklus interpretiert werden.
CW-Laser-Arbeitszyklus (=1) > Quasi-CW-Laser-Arbeitszyklus > Pulslaser-Arbeitszyklus. Generell gilt: Je schmaler die Pulsbreite des Pulslasers, desto niedriger der Arbeitszyklus.
Im Bereich der Materialbearbeitung waren gepulste Laser zunächst ein Übergangsprodukt der kontinuierlichen Laser. Dies liegt daran, dass die Ausgangsleistung kontinuierlicher Laser aufgrund von Faktoren wie der Tragfähigkeit der Kernkomponenten und dem Stand der Technik im Anfangsstadium nicht sehr hoch sein kann und das Material nicht bis zum Schmelzpunkt erhitzt werden kann. Auf diese Weise wird der Bearbeitungszweck erreicht. Wenn bestimmte technische Mittel eingesetzt werden, um die Ausgangsenergie des Lasers auf einen einzigen Impuls zu konzentrieren, sodass sich zwar die Gesamtleistung des Lasers nicht ändert, die momentane Leistung zum Zeitpunkt des Impulses jedoch stark erhöht wird, was den Anforderungen der Materialbearbeitung entspricht. Später wurde die Technologie der kontinuierlichen Laser allmählich ausgereifter und es wurde festgestellt, dass gepulste Laser einen großen Vorteil bei der Bearbeitungsgenauigkeit haben. Dies liegt daran, dass die thermische Wirkung gepulster Laser auf Materialien geringer ist. Je schmaler die Laserimpulsbreite ist, desto geringer ist die thermische Wirkung und je glatter die Kante des bearbeiteten Materials ist, desto höher ist die entsprechende Bearbeitungsgenauigkeit.
Komponenten
2 Kernanforderungen an Ultrakurzpulslaser: Ultrakurzpulse mit hoher Stabilität und hohe Pulsenergie. Im Allgemeinen können Ultrakurzpulse durch Modenkopplungstechnologie und hohe Pulsenergie durch CPA-Verstärkungstechnologie erzielt werden. Zu den beteiligten Kernkomponenten gehören Oszillatoren, Strecker, Verstärker und Kompressoren. Unter ihnen ist die Oszillator- und Verstärkertechnologie die schwierigste und sie ist auch die Kerntechnologie eines Ultrakurzpulslaserherstellers.
Oszillator
Im Oszillator werden durch eine Modenkopplungstechnik ultraschnelle Laserpulse erzeugt.
Bahre
Der Stretcher streckt die Femtosekunden-Seed-Pulse zeitlich um unterschiedliche Wellenlängen auseinander.
Verstärker
Um diesen gestreckten Impuls vollständig mit Energie zu versorgen, wird ein Chirp-Verstärker verwendet.
Kompressor
Der Kompressor führt die verstärkten Spektren der verschiedenen Komponenten zusammen und bringt sie wieder auf die Femtosekundenbreite, wodurch Femtosekunden-Laserpulse mit extrem hoher Momentanleistung entstehen.
Anwendungen
Obwohl die Gesamtleistung von Ultrakurzpulslasern im Vergleich zu Nanosekunden- und Millisekundenlasern geringer ist, wird durch ihre direkte Einwirkung auf die Zeitskala der Molekülschwingungen des Materials eine „Kaltbearbeitung“ im wahrsten Sinne des Wortes realisiert, wodurch die Bearbeitungsgenauigkeit erheblich verbessert wird.
Aufgrund unterschiedlicher Eigenschaften weisen Hochleistungs-Dauerlaser, nicht-ultraschnelle gepulste Laser und ultraschnelle Laser große Unterschiede in den nachgelagerten Anwendungsbereichen auf:
Hochleistungs-Dauerlaser (und quasi-kontinuierliche Laser) werden zum Schneiden, Sintern, Schweißen, Oberflächenverkleidung, Bohren, 3D Bedrucken von metallischen Werkstoffen.
Nicht-ultraschnelle gepulste Laser werden zum Markieren von nichtmetallischen Materialien, zur Bearbeitung von Siliziummaterialien, Präzisionsgravur von Metalloberflächen, Reinigen von Metalloberflächen, Präzisionsschweißen von Metallen, Mikrobearbeitung von Metallen.
Ultraschnelle Laser werden zum Schneiden und Schweißen von transparenten Materialien wie Glas, PET und Saphir sowie harten und spröden Materialien eingesetzt, Präzisionsmarkierung, Augenchirurgie, mikroskopische Passivierung und Ätzen von Materialien.
Aus Sicht der Nutzung haben Hochleistungs-CW-Laser und Ultrakurzpulslaser fast keine gegenseitige Substitutionsbeziehung. Sie sind wie Äxte und Pinzetten, und ihre Größen haben ihre eigenen Vor- und Nachteile. Die nachgelagerten Anwendungen von nicht-ultrakurzpulsierenden Lasern überschneiden sich teilweise mit kontinuierlichen Lasern und Ultrakurzpulslasern. Aus den tatsächlichen Ergebnissen geht hervor, dass bei derselben Anwendung ihre Leistung nicht so gut ist wie die von kontinuierlichen Lasern und ihre Genauigkeit nicht so gut ist wie die von Ultrakurzpulslasern. Das auffälligere ist das Preis-Leistungs-Verhältnis.
Insbesondere der Nanosekunden-Ultraviolettlaser erreicht zwar nicht die Picosekunden-Ebene, weist aber eine deutlich verbesserte Verarbeitungsgenauigkeit im Vergleich zu anderen farbigen Nanosekundenlasern auf und wird daher häufig bei der Verarbeitung und Herstellung von 2C-Produkten eingesetzt. In Zukunft, wenn die Kosten für Ultrakurzpulslaser sinken, könnte er den Nanosekunden-Ultraviolettmarkt erobern.
Ultrakurzpulslaser ermöglichen eine echte Kaltbearbeitung und bieten erhebliche Vorteile bei der Präzisionsbearbeitung. Da die Produktionstechnologie für Ultrakurzpulslaser immer ausgereifter wird, sinken die Kosten allmählich. In Zukunft wird mit einer breiten Anwendung in der Medizinbiologie, der Luft- und Raumfahrt, der Unterhaltungselektronik, der Lichtanzeige, der Energieumwelt, der Präzisionstechnik und anderen nachgelagerten Branchen gerechnet.
Medizinische Kosmetologie
Ultraschnelle Laser können in medizinischen Geräten für Augenoperationen und kosmetische Geräte verwendet werden. Der Femtosekundenlaser wird in der Myopiechirurgie eingesetzt und gilt nach der Wellenfrontaberrationstechnologie als „eine weitere Revolution in der refraktiven Chirurgie“. Die Augenachse von myopischen Patienten ist größer als die normale Augenachse, sodass im Zustand der Augapfelentspannung der Fokus paralleler Lichtstrahlen nach der Brechung durch das Brechungssystem des Auges vor der Netzhaut liegt. Mit der Femtosekundenlaserchirurgie kann überschüssiger Muskel in der axialen Dimension entfernt und der axiale Abstand wieder normalisiert werden. Die Femtosekundenlaserchirurgie bietet die Vorteile hoher Genauigkeit, hoher Sicherheit, hoher Stabilität, kurzer Operationszeit und hohem Komfort und ist zu einer der gängigsten Methoden der Myopiechirurgie geworden.
Was die Schönheit betrifft, können ultraschnelle Laser zur Entfernung von Pigmenten und Muttermalen, zur Entfernung von Tätowierungen und zur Verbesserung der Hautalterung eingesetzt werden.
Consumer Elektronik
Ultraschnelle Laser eignen sich für die Bearbeitung von harten und spröden transparenten Materialien, die Dünnschichtbearbeitung, Präzisionsmarkierungen usw. im Herstellungsprozess von Unterhaltungselektronik. Hartglas und Saphir für Mobiltelefone sind repräsentative harte, spröde und transparente Materialien in den Rohstoffen für Unterhaltungselektronik, insbesondere Saphir. Aufgrund seiner hohen Härte und Sprödigkeit sind die Effizienz und Ausbeute herkömmlicher Bearbeitungsmethoden sehr gering. Saphir wird heute häufig in Smartwatches, Handykameraabdeckungen, Fingerabdruckmodulabdeckungen usw. verwendet. Nanosekunden-Ultraviolettlaser und Ultraschnelllaser sind derzeit die wichtigsten technischen Mittel zum Schneiden von Saphir, und die Bearbeitungswirkung des Ultraschnelllasers ist besser als die des ultravioletten Nanosekundenlasers. Darüber hinaus werden bei den von Kameramodulen und Fingerabdruckmodulen verwendeten Bearbeitungsmethoden hauptsächlich Nanosekunden- und Pico-Sekunden-Laser verwendet. Zum Schneiden von flexiblen Handybildschirmen (faltbaren Bildschirmen) und den entsprechenden 3D Beim Glasbohren werden in Zukunft höchstwahrscheinlich Ultrakurzpulslaser die Haupttechnologie sein.
Auch bei der Panelherstellung finden Ultrakurzpulslaser wichtige Anwendung. So können sie beispielsweise zum Schneiden von OLED-Polarisatoren sowie zum Ablösen und Reparieren bei der LCD/OLED-Herstellung eingesetzt werden.
Bei OLEDs sind die Polymermaterialien besonders empfindlich gegenüber thermischen Einflüssen. Darüber hinaus sind Größe und Abstand der derzeit hergestellten Zellen sehr klein und auch die verbleibende Verarbeitungsgröße ist sehr klein. Das traditionelle Stanzverfahren wie früher ist für die heutige Zeit nicht mehr geeignet. Die Produktionsanforderungen der Industrie und jetzt gibt es Anwendungsanforderungen für speziell geformte Bildschirme und perforierte Bildschirme, die über die Möglichkeiten traditioneller Handwerkskunst hinausgehen. Auf diese Weise werden die Vorteile ultraschneller Laser reflektiert, insbesondere Pico-Sekunden-Ultraviolett- oder sogar Femto-Sekunden-Laser, die eine kleine Wärmeeinflusszone haben und für flexiblere Anwendungen wie die Kurvenverarbeitung besser geeignet sind.
Mikroschweißen
Bei transparenten festen Medien wie Glas treten bei der Ausbreitung von Ultrakurzpulslasern im Medium verschiedene Phänomene auf, wie nichtlineare Absorption, Schmelzschäden, Plasmabildung, Ablation und Faserausbreitung. Die Abbildung zeigt verschiedene Phänomene, die bei der Wechselwirkung zwischen Ultrakurzpulslasern und festen Materialien bei unterschiedlichen Leistungsdichten und Zeitskalen auftreten.
Da die Mikroschweißtechnologie mit ultrakurzen Laserpulsen keine Zwischenschicht benötigt, hocheffizient und präzise ist, keinen makroskopischen thermischen Effekt aufweist und nach der Mikroschweißbehandlung relativ ideale mechanische und optische Eigenschaften aufweist, eignet sie sich sehr gut zum Mikroschweißen transparenter Materialien wie Glas. Forscher haben beispielsweise erfolgreich Endkappen an Standard- und mikrostrukturierte Glasfasern geschweißt, indem sie 70 fs, 250 kHz-Pulse verwendeten.
Displaybeleuchtung
Die Anwendung von Ultrakurzpulslasern im Bereich der Displaybeleuchtung bezieht sich hauptsächlich auf das Ritzen und Schneiden von LED-Wafer. Dies ist ein weiteres Beispiel dafür, dass Ultrakurzpulslaser für die Bearbeitung harter und spröder Materialien geeignet sind. Die Ultrakurzpulslaserbearbeitung weist eine hohe Querschnittsflachheit und deutlich reduzierte Kantenabsplitterungen auf. Effizienz und Genauigkeit werden erheblich verbessert.
Photovoltaik
Ultrakurzpulslaser finden bei der Herstellung von Photovoltaikzellen breite Anwendungsmöglichkeiten. Bei der Herstellung von CIGS-Dünnschichtbatterien können Ultrakurzpulslaser beispielsweise den ursprünglichen mechanischen Ritzprozess ersetzen und die Ritzqualität deutlich verbessern, insbesondere bei P2- und P3-Ritzverbindungen, bei denen nahezu keine Absplitterungen und keine Risse und Eigenspannungen entstehen.
Luft- und Raumfahrt
Um die Leistung und Lebensdauer der Turbinenschaufeln und damit die Leistung des Motors zu verbessern, ist die Anwendung einer Luftfilmkühlungstechnologie erforderlich, die extrem hohe Anforderungen an die Luftfilmlochverarbeitungstechnologie stellt. Im Jahr 2018 entwickelte das Xi'an Institute of Optics and Mechanics die höchste Einzelimpulsenergie in China. Der 26-Watt-Femtosekunden-Faserlaser in Industriequalität und die Entwicklung einer Reihe ultraschneller Laser-Extremfertigungsgeräte erzielten einen Durchbruch bei der „Kaltverarbeitung“ von Luftfilmlöchern in Turbinenschaufeln von Flugzeugtriebwerken und füllten damit die Lücke im Inland. Diese Verarbeitungsmethode ist fortschrittlicher als EDM. Die Genauigkeit der Methode ist höher und die Ausbeute ist erheblich verbessert.
Ultraschnelle Laser können auch zur Präzisionsbearbeitung von faserverstärkten Verbundwerkstoffen eingesetzt werden. Die Verbesserung der Bearbeitungsgenauigkeit wird dazu beitragen, die Anwendung von Verbundwerkstoffen wie Kohlefasern in der Luft- und Raumfahrt und anderen High-End-Bereichen auszuweiten.
Forschungsfeld
Die 2-Photonen-Polymerisationstechnologie (2PP) ist eine „nano-optische“ 3D Druckverfahren, ähnlich der lichthärtenden Rapid-Prototyping-Technologie, und der Futurist Christopher Barnatt glaubt, dass diese Technologie eine Mainstream-Form der 3D Drucken in der Zukunft. Das Prinzip der 2-Photonen-Polymerisationstechnologie besteht darin, lichtempfindliches Harz selektiv durch Verwendung eines „Femtosekunden-Pulslasers“ auszuhärten. Es klingt wie photohärtendes Rapid Prototyping, der Unterschied besteht darin, dass die minimale Schichtdicke und die XY-Achsenauflösung, die mit der 2-Photonen-Polymerisationstechnologie erreicht werden können, zwischen 2 nm und 100 nm liegen. Mit anderen Worten, 200PP 3D Die Drucktechnologie ist hundertmal genauer als die herkömmliche lichthärtende Formtechnologie und die gedruckten Dinge sind kleiner als Bakterien.
Derzeit ist der Preis für Ultrakurzpulslaser noch relativ hoch. Als Pionier der Branche STYLECNC produziert bereits ultraschnelle Laserverarbeitungsgeräte und hat gute Marktresonanz erzielt. Laserpräzisionsschneidgeräte für OLED-Module auf Basis ultraschneller Lasertechnologie, ultraschnelle (Pikosekunden/Femtosekunden) Lasermarkierungsgeräte, Glasfasen-Laserverarbeitungsgeräte für Pico2nd-Infrarot-Bildschirme und Pico2nd-Infrarot-Glaswafer wurden auf den Markt gebracht. Laserschneidgeräte, automatische unsichtbare LED-Würfelmaschine, Halbleiterwafer Laserschneidmaschine, Glasabdeckungs-Schneidegeräte für Module zur Fingerabdruckerkennung, Massenproduktionslinien für flexible Displays und eine Reihe ultraschneller Laserprodukte.
Pros & Cons
Vorteile
Ultraschnelle Laser sind eine der wichtigsten Entwicklungsrichtungen im Laserbereich. Als aufstrebende Technologie bietet sie erhebliche Vorteile bei der Präzisionsmikrobearbeitung. Der vom ultraschnellen Laser erzeugte ultrakurze Impuls interagiert nur für eine sehr kurze Zeit mit dem Material und erzeugt keine Wärme im umgebenden Material. Daher wird die ultraschnelle Laserbearbeitung auch als Kaltbearbeitung bezeichnet. Dies liegt daran, dass, wenn die Laserimpulsbreite den Pico- oder Femtosekundenbereich erreicht, der Einfluss auf die molekulare thermische Bewegung weitgehend vermieden werden kann, was zu einem geringeren thermischen Einfluss führt.
Wenn wir beispielsweise konservierte Eier mit einem stumpfen Küchenmesser schneiden, schneiden wir die konservierten Eier oft in feine Stücke. Wenn Sie eine Schneidemethode mit einer besonders scharfen Messerschneide wählen, die das Durcheinander schnell schneidet, werden die konservierten Eier gleichmäßig und schön geschnitten. Das ist der Vorteil von Superschnelligkeit.
Nachteile
High-End-Fertigungsindustrien wie die Herstellung integrierter Schaltkreise und Panels stellen extrem hohe Anforderungen an die Ausrüstung zur Laserverarbeitung und es besteht das Risiko, dass technologische Durchbrüche hinter den Erwartungen zurückbleiben.
Der Preis für ultraschnelle Laser ist hoch und ein Wechsel zu einem neuen Laserlieferanten birgt sowohl für die Hersteller von Lasergeräten als auch für die meisten nachgelagerten Anwender das Risiko, dass der Markt nicht wie erwartet ausgebaut werden kann.
