Ласер се сматра једним од највећих изума у 20 веку. Са завршетком три индустријске револуције, ласер ће бити кључ за вођење четврте индустријске револуције. Појава ласера је у великој мери подстакла развој индустрије. Ласер је постао најнапредније и широко коришћено средство у обради због својих предности као што су велика снага, лако фокусирање, велика светлина и добра усмереност. Ласерска обрада има предности високе прецизности, велике брзине и ниске цене. Може се аутоматски контролисати рачунарским програмирањем. Може да обрађује структуру сложеним обликом. Будући да се ради о бесконтактној обради, неће оштетити материјал и сигуран је и поуздан.
Класификација и карактеристике ласерске обраде
Према механизму интеракције ласера и материје, ласерска обрада се може поделити у две категорије: ласерска термичка обрада и нетермичка обрада. Врсте ласера који се користе у термичкој обради и у термичкој обради су различите. Дуго-импулсни ласер или континуирани ласер се обично користи у термичкој обради, а ултра-кратки пулсни ласер попут пицосекунде и фемтосекунде обично се користи у нетермичкој обради.
Ласерска термичка обрада користи термички ефекат произведен у процесу ласерског зрачења материјала. Молекуларни систем озрачених материјала мора непрестано добијати енергију ласерским зрачењем и претварати је у своју унутрашњу енергију. Температура озраченог подручја нагло се подиже да би се постигла тачка топљења и тачка кључања, топљење и уклањање материјала и постигла сврха прераде. Пошто је потребно дуго времена да се енергија ласера претвори у унутрашњу енергију молекуларног система, ласер са дугим импулсима често се користи у термичкој обради. Ова метода обраде је једноставна и директна и широко се користи у индустријској производњи, као што су ласерско сечење, производња ласерских адитива итд. Међутим, због неизбежне топлотне дифузије у обради, тачност и храпавост ласерске термичке обраде су ограничени.
Нетермичка обрада је употреба нелинеарних ефеката (попут нелинеарне јонизације, површинског распршивања итд.) Узрокованих поремећајем електронског система материјала, кроз транзицију и јонизацију фотона апсорпцију електрона, физичким и хемијским својствима материјали се индукују да се мењају, што доводи до стварања неких нових ефеката (као што је дводимензионална полимеризација, ласерско само склапање итд.), користећи ове нове ефекте за постизање повећања Сврха машинске тачности и оптимизације. Будући да се размена енергије између електронског система и ласера може завршити у трену, нетермичка обрада обично користи ултражурни импулсни ласер. Ова метода има високу прецизност и разне методе обраде, што је једно од истраживачких жаришта на пољу ласерске обраде.
Предности и недостаци традиционалне фемтосекундне ласерске обраде
Ултра-висока вршна снага и ултра кратко трајање импулса две су главне предности фемтосекундног ласера. Ултра-висока вршна снага је довољна да изазове разне нелинеарне ефекте, што обогаћује ласерске методе обраде. Ултра-брзе временске карактеристике такође чине процес интеракције између фемтосекундног ласера и материјала врло краћим. Светлосна енергија коју апсорбује подручје ласерског зрачења не може се пренети ни у друга подручја како би се осигурало да се енергија ласера тачно таложи у распону зрачења и оствари ултрафини поступак обраде.
Тренутно се фемтосекундни ласер широко користи у области микро и нано обраде, углавном укључујући ласерско директно писање и ласерску маску. Међутим, због дифракцијске границе обрадивог система, немогуће је смањити подручје ласерског зрачења без ограничења, што ограничава даље побољшање тачности обраде. Истовремено, због различитих нелинеарних карактеристика различитих материјала, фемтосекундна ласерска обрада снажно зависи од материјала. Иста метода обраде често показује различите ефекте обраде за различите материјале.
Предности ултраљубичасте фемтосекундне ласерске обраде
Са развојем савремене индустрије повећава се захтев за тачношћу обраде, а један од главних фактора који утичу на тачност ласерске обраде је граница дифракције машинског система. Граница дифракције је физички параметар који описује тачност снимања или обраде оптичког система. Што је граница дифракције мања, то је већа тачност обраде. Генерално, граница дифракције је директно пропорционална таласној дужини упадне светлости, тако да смањење ласерске таласне дужине постаје најизравније и најефикасније средство за побољшање границе дифракције. На пример, технологија УВ литографије која се широко користи у тренутној индустрији је да побољша тачност обраде смањујући ласерску таласну дужину.
УВ ласер се односи на ласер чија је таласна дужина мања од 380 нм. У поређењу са таласном дужином коју обично користе фемтосекундни ласер (углавном у опсегу видљиве светлости, 380 нм-760нм), тачност обраде УВ фемтосекундним ласером је већа. Истовремено, због кратке таласне дужине ултраљубичастог фемтосекундног ласера и велике енергије једног фотона, фотони могу директно прекинути везивне везе молекула или атома, што је у основи фотохемијска реакција, у основи без феномена топљења, па ограничавајући утицај топлотног ефекта. С друге стране, УВ опсег је осетљиви опсег многих полимера, као што су фоторесисти. Ови полимери ће произвести ефект полимеризације са два фотона под зрачењем ултраљубичастог фемтосекундног ласера, због чега течни колоидни полимеризира у чврсту супстанцу велике механичке чврстоће. Након обраде, фоторесист ће се испрати, а жељена структура се може добити. Коришћењем овог принципа може се извршити супер фина 3 Д обрада структуре.
Карактеристике и предности фемтосекундне обраде у векторском и вртлогном пољу
Традиционална фемтосекунда ласерске обраде углавном се фокусира на енергетске карактеристике ласера. Нелинеарни ефекат материјала индукован је ултра-високом енергијом фемтосекундног ласерског поља како би се постигла сврха обраде. У процесу интеракције светлости и материје долази не само до апсорпције енергије, већ и до размене замаха, што значи да нови ласерски мод може дати пуну предност својим предностима у области фемтосекундне обраде.
Векторско поље и вртлог поље су два најтипичнија нова ласерска режима. Њихове просторне тополошке карактеристике поларизације и фазе чине да поље има нека посебна физичка својства. На пример, векторско поље може да се конвертира у жариште изнад границе дифракције, која је мањих димензија, тако да је тачност обраде већа. Са друге стране, момент фотона под углом који носи само поље може изменити замах са материјом. На пример, вртложно светлосно поље са спиралном фазном структуром носи фотон орбитални момент угла, који покреће честице да се окрећу око фиксне осе; лево-десна или десно-десна, кружно поларизована светлост носи замах под углом фотона, што може изазвати ротацију честица; векторско светлосно поље чије се поларизацијско стање мења просторним положајем може показати интеракцију између момента угла. На исти начин, тренутне карактеристике векторског и вртлогног поља могу се користити и у фемтосекундној ласерској обради, попут употребе вртлогних поља за индукцију киралне структуре, употребе векторског поља за индукцију сложених образаца и тако даље.
У поређењу са традиционалном фемтосекундном ласерском обрадом, векторска и вртложна фемтосекундна ласерска обрада произведена ултразвучним ласерским системом велике снаге са контролисаним просторно-временским карактеристикама чини структуру обраде разнородном и компликованом. Дизајнирањем фазне и поларизационе дистрибуције светлосног поља, можемо добити различите површинске узорке, па чак и сложену тродимензионалну топологију. Користећи фемтосекундну технологију ласерског обликовања импулса у комбинацији са технологијом модулације светлосно-временске модулације и технологијом фокусирања у простору и времену за модулацију ултрабрзих ласерских импулса у временској и фреквенцијској домени, и остваривању тродимензионалне микро-нано обраде и практичне примене у различитим материјалима . Очекује се да ће ове технологије играти важну улогу у новој интегрисаној оптици и микро нано-оптикама.
Предности и потенцијалне примене ултраљубичастог, векторског и вртлогног фемтосекундног светлосног поља
Уз континуирани развој индустрије, традиционална технологија фемтосекундне ласерске обраде не може задовољити растућу индустријску потражњу, па је мора развијати и оптимизирати. Технологија ласерске обраде УВ фемтосекунди ефикасан је начин за побољшање тачности обраде и има велику примену у индустријској производњи. Фемтосекундна технологија ласерске обраде вектора и вртлог поља изменила је традиционални режим појединачне обраде, учинивши ласерску обраду флексибилнијом и разноврснијом. Поред тога, технологија УВ вектора и вртложне фемтосекунде ласерске обраде је такође пракса и верификација теорије интеракције светлости и материје, што је корисно за откривање дубљег физичког механизма и има позитиван научни значај.