Laserit peetakse üheks 20. sajandi suurimaks leiutiseks. Kolme tööstusrevolutsiooni lõppedes on laser neljanda tööstusrevolutsiooni juhtimise võti. Laseri ilmumine on tööstuse arengut oluliselt edendanud. Laser on muutunud kõige arenenumaks ja laialdasemalt kasutatavaks vahendiks töötlemisel tänu oma eelistele, nagu suur võimsus, lihtne teravustamine, kõrge heledus ja hea suunatavus. Lasertöötluse eelisteks on suur täpsus, suur kiirus ja madal hind. Seda saab arvutiprogrammeerimisega automaatselt juhtida. See suudab töödelda keeruka kujuga struktuuri. Kuna tegemist on kontaktivaba-töötlusega, ei kahjusta see materjali ning on ohutu ja usaldusväärne.
Lasertöötluse klassifikatsioon ja omadused
Laseri ja aine vastastikmõju mehhanismi järgi võib lasertöötluse jagada kahte kategooriasse: lasertermotöötlus ja mitte-termiline töötlemine. Termilisel töötlemisel ja mitte-termilisel töötlemisel kasutatavad laseritüübid on erinevad. Pikka-impulsslaserit või pidevlaserit kasutatakse tavaliselt termilises töötlemises ja ülilühikeste impulsslaserit, nagu pikosekund ja femtosekund, kasutatakse tavaliselt mitte-termiliseks töötlemiseks.
Selle perekonna ülikiire haru on lähemalt selgitatud meie artiklisülikiire lasertöötlustehnoloogia.
Laseri termiline töötlemine kasutab materjalide laserkiirguse protsessis tekkivat soojusefekti. Kiiritatud materjalide molekulaarsüsteem peab pidevalt saama laserkiirgusest energiat ja muutma selle oma siseenergiaks. Kiiritatud ala temperatuur tõuseb järsult, et saavutada materjalide sulamis- ja keemistemperatuur, sulamine ja eemaldamine ning töötlemise eesmärk. Kuna laseri energia muundumine molekulaarsüsteemi siseenergiaks võtab kaua aega, kasutatakse termilisel töötlemisel sageli pika impulsslaserit. See töötlemismeetod on lihtne ja otsene ning seda on laialdaselt kasutatud tööstuslikus tootmises, nagu laserlõikamine, laserlisandite tootmine jne. Kuid töötlemisel vältimatu termilise difusiooni tõttu on lasertermotöötluse täpsus ja karedus piiratud.
Mitte-termiline töötlemine seisneb materjalide elektroonilise süsteemi häiretest põhjustatud mittelineaarsete efektide (nagu mittelineaarne ionisatsioon, pinnahajumine jne) kasutamine elektronide neeldumisfootonite ülemineku ja ionisatsiooni kaudu, materjalide füüsikalised ja keemilised omadused indutseeritakse muutuma, mis toob kaasa mõnede uudsete laseriefektide tekke. ise-koost jne), kasutades neid uudseid efekte, et saavutada töötluse täpsuse ja optimeerimise eesmärk. Kuna energiavahetus elektronsüsteemi ja laseri vahel saab lõpule viia hetkega, kasutatakse mitte-termiliseks töötlemiseks tavaliselt ülilühikese impulsslaserit. Sellel meetodil on kõrge täpsus ja erinevad töötlemismeetodid, mis on lasertöötluse valdkonnas üks uurimispunkte.
Traditsioonilise femtosekundilise lasertöötluse eelised ja puudused
Üli-suur tippvõimsus ja ülilühike impulsi kestus on femtosekundilise laseri kaks peamist eelist. Üli-suurest tippvõimsusest piisab mitmesuguste mittelineaarsete efektide esilekutsumiseks, mis rikastab lasertöötlusmeetodeid. Ülikiired ajaomadused muudavad femtosekundilise laseri ja materjalide vahelise koostoime väga lühikeseks. Laserkiirguse ala neeldunud valgusenergiat ei saa isegi teistele piirkondadele üle kanda, et tagada laserenergia täpne sadestamine kiiritusvahemikus ja saavutada ülipeent töötlemist.
Kui olete femtosekunditest ühe sammu lühem, õppigeattosekundilise impulsslaseri tööpõhimõte.
Praegu on femtosekundi laserit laialdaselt kasutatud mikro- ja nanotöötluse valdkonnas, sealhulgas peamiselt laseriga otsekirjutamise ja lasermaski valdkonnas. Kuid töötlussüsteemi difraktsioonipiiri tõttu on laserkiirguse pindala piiranguteta võimatu vähendada, mis piirab töötluse täpsuse edasist parandamist. Samal ajal sõltub femtosekundiline lasertöötlus erinevate materjalide erinevate mittelineaarsete omaduste tõttu tugevalt materjalidest. Sama töötlemismeetod näitab erinevate materjalide puhul sageli erinevaid töötlemisefekte.
Ultraviolett-femtosekundilise lasertöötluse eelised
Kaasaegse tööstuse arenedes suureneb töötluse täpsuse nõue ning üks peamisi lasertöötluse täpsust mõjutavaid tegureid on töötlussüsteemi difraktsioonipiir. Difraktsioonipiir on füüsikaline parameeter, mis kirjeldab optilise süsteemi kujutise või töötlemise täpsust. Mida väiksem on difraktsioonipiir, seda suurem on töötlemise täpsus. Üldiselt on difraktsioonipiir otseselt proportsionaalne langeva valguse lainepikkusega, seega on laseri lainepikkuse vähendamine kõige otsesem ja tõhusam vahend difraktsioonipiiri parandamiseks. Näiteks praeguses tööstuses laialdaselt kasutatav UV-litograafia tehnoloogia on laseri lainepikkuse vähendamise teel töötlemise täpsuse parandamiseks.
UV laser viitab laserile, mille lainepikkus on alla 380 nm. Võrreldes lainepikkusega, mida tavaliselt kasutab femtosekundiline laser (peamiselt nähtava valguse ribas, 380 nm{7}}760 nm), on UV-femtosekundilise laseri töötlemise täpsus suurem. Samal ajal võivad footonid ultraviolettkiirguse femtosekundilise laseri lühikese lainepikkuse ja ühe footoni suure energia tõttu otse katkestada molekulide või aatomite siduvad sidemed, mis on sisuliselt fotokeemiline reaktsioon, põhimõtteliselt ilma sulamisnähtuseta, piirates seega termilise efekti mõju. Teisest küljest on UV-riba paljude polümeeride, näiteks fotoresistide tundlik riba. Need polümeerid tekitavad ultraviolettkiirguse femtosekundilise laseri kiiritamisel kahe footoni polümerisatsiooniefekti, mis paneb voolava kolloidi polümeriseerima suure mehaanilise tugevusega tahkeks aineks. Pärast töötlemist pestakse fotoresist ära ja soovitud struktuur on võimalik saada. Seda põhimõtet kasutades saab teostada ülipeent 3D-struktuuri töötlemist.
Ühe teise asemel valimise praktiliste tagajärgede vaatamiseks võrrelgeErinevus UV- ja infrapunalaseri vahel.
Femtosekundilise töötlemise omadused ja eelised vektor- ja keerisväljadel
Traditsiooniline femtosekundiline lasertöötlus keskendub peamiselt laseri energiaomadustele. Töötlemise eesmärgi saavutamiseks indutseerib materjalide mittelineaarne mõju femtosekundilise laservälja üli-kõrge-energiaga. Valguse ja aine interaktsiooni protsessis ei toimu mitte ainult energia neeldumine, vaid ka impulsi vahetus, mis tähendab, et uus laserrežiim võib anda oma eelised femtosekunditöötluse valdkonnas täielikult välja.
Vektorväli ja keeriseväli on kaks kõige tüüpilisemat uut laserrežiimi. Nende polarisatsiooni ja faasi ruumilised topoloogilised omadused muudavad väljal teatud füüsikalised omadused. Näiteks võib vektorväli koonduda difraktsioonipiirist kaugemale jäävasse fookuspunkti, mis on mõõtmetelt väiksem, seega on töötlemise täpsus suurem. Teisest küljest võib välja enda kantud footoni nurkimment ainega hoogu vahetada. Näiteks spiraalse faasistruktuuriga pöörisvalgusväli kannab footoni orbitaalset nurkimmenti, mis paneb osakesed pöörlema ümber fikseeritud telje; vasak--- või parem{5}}-ringpolariseeritud valgus kannab footonite pöörlemise nurkimmenti, mis võib panna osakesi pöörlema; vektorvalgusväli, mille polarisatsiooni olek muutub koos ruumilise asendiga, võib näidata nurkimpulsi vastastikmõju. Samamoodi saab vektor- ja keeriseväljade impulsi karakteristikuid kasutada ka femtosekundilises lasertöötluses, näiteks keeriseväljade kasutamine kiraalsete struktuuride esilekutsumiseks, vektorväljade kasutamine keerukate mustrite esilekutsumiseks jne.
Võrreldes traditsioonilise femtosekundilise lasertöötlusega muudab vektor- ja keerisvälja femtosekundiline lasertöötlus, mida toodab suure{0}}võimsusega ultraviolettlasersüsteem, millel on kontrollitavad ruumi{1}}ajalised omadused, töötlemisstruktuuri mitmekesisemaks ja keeruliseks. Valgusvälja faasi- ja polarisatsioonijaotuse kavandamisel saame saada mitmesuguseid pinnamustreid ja isegi keerukat kolmemõõtmelist topoloogiat. Kasutades femtosekundilise laserimpulsi kujundamise tehnoloogiat kombineerituna ruumi-aja valguse modulatsiooni tehnoloogia ja ruumi-aja fokuseerimise tehnoloogiaga ülikiire laserimpulsi moduleerimiseks aja- ja sageduspiirkonnas ning kolme-dimensioonilise mikro-nanotöötluse ja praktilise rakendamise erinevates materjalides. Eeldatakse, et need tehnoloogiad mängivad olulist rolli uue integreeritud optika ja mikronano{10}}optika puhul.
Ultraviolett-, vektor- ja vortex-femtosekundiliste valgusväljade eelised ja võimalikud rakendused
Tööstuse pideva arenguga ei suuda traditsiooniline femtosekundiline lasertöötlustehnoloogia rahuldada kasvavat tööstuslikku nõudlust, seetõttu tuleb seda arendada ja optimeerida. UV-femtosekundiline lasertöötlustehnoloogia on tõhus viis töötlemise täpsuse parandamiseks ja sellel on suur kasutusväärtus tööstuslikus tootmises. Vektor- ja keerisvälja femtosekundiline lasertöötlustehnoloogia on muutnud traditsioonilist üksiktöötlusrežiimi, muutes lasertöötluse paindlikumaks ja mitmekesisemaks. Lisaks on UV-vektori ja keerise femtosekundi lasertöötlustehnoloogia ka valguse ja aine vastastikmõju teooria praktika ja kontrollimine, mis aitab paljastada sügavamat füüsikalist mehhanismi ja millel on positiivne teaduslik tähendus.