Laser được coi là một trong những phát minh vĩ đại nhất của thế kỷ 20. Với sự kết thúc của ba cuộc cách mạng công nghiệp, tia laser sẽ là chìa khóa dẫn đầu cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư. Sự xuất hiện của laser đã thúc đẩy đáng kể sự phát triển của ngành công nghiệp. Laser đã trở thành phương tiện tiên tiến và được sử dụng rộng rãi nhất trong gia công vì những ưu điểm của nó như công suất cao, dễ lấy nét, độ sáng cao và khả năng định hướng tốt. Xử lý bằng laser có ưu điểm là độ chính xác cao, tốc độ cao và chi phí thấp. Nó có thể được điều khiển tự động bằng lập trình máy tính. Nó có thể xử lý cấu trúc với hình dạng phức tạp. Vì đây là quá trình xử lý không tiếp xúc nên sẽ không làm hỏng vật liệu và an toàn và đáng tin cậy.
Phân loại và đặc điểm của xử lý laser
Theo cơ chế tương tác giữa tia laser và vật chất, quá trình xử lý bằng laser có thể được chia thành hai loại: xử lý nhiệt bằng laser và xử lý không{0} nhiệt. Các loại tia laser được sử dụng trong xử lý nhiệt và xử lý không{2}}nhiệt là khác nhau. Laser xung dài{4}}hoặc laser liên tục thường được sử dụng trong xử lý nhiệt và laser xung cực ngắn như picosecond và femtosecond thường được sử dụng trong xử lý không{5}}nhiệt.
Nhánh cực nhanh của họ này được giải thích thêm trong bài viết của chúng tôi vềcông nghệ xử lý laser cực nhanh.
Xử lý nhiệt bằng laser sử dụng hiệu ứng nhiệt được tạo ra trong quá trình chiếu xạ laser vào vật liệu. Hệ thống phân tử của vật liệu được chiếu xạ cần liên tục thu được năng lượng từ bức xạ laser và chuyển hóa thành năng lượng bên trong của chính nó. Nhiệt độ của khu vực chiếu xạ tăng mạnh để đạt được điểm nóng chảy và điểm sôi của vật liệu, tan chảy và loại bỏ, đồng thời đạt được mục đích xử lý. Do phải mất nhiều thời gian để năng lượng của laser chuyển hóa thành năng lượng bên trong của hệ thống phân tử nên laser xung dài thường được sử dụng trong xử lý nhiệt. Phương pháp xử lý này đơn giản, trực tiếp và đã được sử dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp, như cắt laser, sản xuất bồi đắp bằng laser, v.v. Tuy nhiên, do sự khuếch tán nhiệt không thể tránh khỏi trong quá trình xử lý nên độ chính xác và độ nhám của quá trình xử lý nhiệt bằng laser bị hạn chế.
Xử lý phi nhiệt là sử dụng các hiệu ứng phi tuyến tính (chẳng hạn như ion hóa phi tuyến, tán xạ bề mặt, v.v.) gây ra bởi sự nhiễu loạn của hệ thống điện tử của vật liệu, thông qua sự chuyển tiếp và ion hóa của các photon hấp thụ điện tử, các tính chất vật lý và hóa học của vật liệu được tạo ra để thay đổi, do đó dẫn đến việc tạo ra một số hiệu ứng mới (chẳng hạn như trùng hợp hai{2}photon, tự lắp ráp laser{3}}, v.v.), sử dụng các hiệu ứng mới này để tăng Mục đích của độ chính xác gia công và tối ưu hóa. Vì quá trình trao đổi năng lượng giữa hệ thống điện tử và tia laser có thể được hoàn thành ngay lập tức nên quá trình xử lý không dùng nhiệt thường sử dụng tia laser xung cực ngắn. Phương pháp này có độ chính xác cao và nhiều phương pháp xử lý khác nhau, là một trong những điểm nóng nghiên cứu trong lĩnh vực xử lý laser.
Ưu điểm và nhược điểm của xử lý laser femto giây truyền thống
Công suất cực đại-cao và thời lượng xung cực ngắn là hai ưu điểm chính của laser femto giây. Công suất cực đại-cao đủ để tạo ra nhiều hiệu ứng phi tuyến, giúp làm phong phú thêm các phương pháp xử lý bằng laser. Đặc điểm thời gian cực nhanh cũng khiến quá trình tương tác giữa laser femto giây và vật liệu trở nên rất ngắn. Năng lượng ánh sáng được hấp thụ bởi vùng chiếu xạ laze thậm chí không thể được chuyển sang các vùng khác, để đảm bảo rằng năng lượng laze có thể được lắng đọng chính xác trong phạm vi chiếu xạ và thực hiện quá trình xử lý-siêu mịn.
Đi ngắn hơn một bước so với femto giây, hãy tìm hiểuNguyên lý làm việc của xung laser attosecond.
Hiện nay, laser femto giây đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xử lý vi mô và nano, chủ yếu bao gồm viết trực tiếp bằng laser và mặt nạ laser. Tuy nhiên, do giới hạn nhiễu xạ của hệ thống gia công nên không thể giảm diện tích chiếu xạ laser mà không có giới hạn, điều này hạn chế việc cải thiện hơn nữa độ chính xác gia công. Đồng thời, do các đặc tính phi tuyến khác nhau của các vật liệu khác nhau, quá trình xử lý laser femto giây phụ thuộc rất nhiều vào vật liệu. Phương pháp xử lý giống nhau thường cho thấy hiệu quả xử lý khác nhau đối với các vật liệu khác nhau.
Ưu điểm của xử lý laser femto giây tia cực tím
Với sự phát triển của ngành công nghiệp hiện đại, yêu cầu về độ chính xác gia công ngày càng tăng và một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến độ chính xác gia công laser là giới hạn nhiễu xạ của hệ thống gia công. Giới hạn nhiễu xạ là một thông số vật lý mô tả độ chính xác hình ảnh hoặc xử lý của hệ thống quang học. Giới hạn nhiễu xạ càng nhỏ thì độ chính xác xử lý càng cao. Nói chung, giới hạn nhiễu xạ tỷ lệ thuận với bước sóng của ánh sáng tới, do đó việc giảm bước sóng laser trở thành phương tiện trực tiếp và hiệu quả nhất để cải thiện giới hạn nhiễu xạ. Ví dụ, công nghệ in thạch bản UV được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp hiện nay nhằm cải thiện độ chính xác xử lý bằng cách giảm bước sóng laser.
Laser UV dùng để chỉ tia laser có bước sóng nhỏ hơn 380nm. So với bước sóng thường được sử dụng bởi laser femtosecond (chủ yếu ở dải ánh sáng khả kiến, 380nm-760nm), độ chính xác xử lý của laser femtosecond UV cao hơn. Đồng thời, do bước sóng ngắn của tia cực tím femtosecond laser và năng lượng lớn của một photon đơn lẻ, các photon có thể trực tiếp cắt đứt liên kết liên kết của các phân tử hoặc nguyên tử, về cơ bản là phản ứng quang hóa, về cơ bản không có hiện tượng nóng chảy, do đó hạn chế ảnh hưởng của hiệu ứng nhiệt. Mặt khác, dải UV là dải nhạy cảm của nhiều polyme, chẳng hạn như chất quang dẫn. Các polyme này sẽ tạo ra hiệu ứng trùng hợp hai photon dưới sự chiếu xạ của tia cực tím femtosecond laser, làm cho dòng keo polyme hóa thành chất rắn có độ bền cơ học cao. Sau khi xử lý, chất quang dẫn sẽ bị cuốn trôi và có thể thu được cấu trúc mong muốn. Bằng cách sử dụng nguyên tắc này, việc xử lý cấu trúc 3D siêu mịn có thể được thực hiện.
Để biết những hậu quả thực tế của việc chọn cái này hơn cái kia, hãy so sánhsự khác biệt giữa tia cực tím và tia hồng ngoại.
Đặc điểm & ưu điểm của gia công femto giây trong trường vectơ và xoáy
Quá trình xử lý laser femto giây truyền thống chủ yếu tập trung vào các đặc tính năng lượng của laser. Hiệu ứng phi tuyến của vật liệu được tạo ra bởi năng lượng-cao-của trường laser femto giây để đạt được mục đích xử lý. Trong quá trình tương tác giữa ánh sáng và vật chất, không chỉ có sự hấp thụ năng lượng mà còn có sự trao đổi động lượng, điều đó có nghĩa là chế độ laser mới có thể phát huy hết ưu điểm của nó trong lĩnh vực xử lý femto giây.
Trường Vector và trường xoáy là hai trong số các chế độ laser mới điển hình nhất. Các đặc điểm tôpô không gian về phân cực và pha của chúng làm cho trường có một số tính chất vật lý đặc biệt. Ví dụ, trường vectơ có thể hội tụ về tiêu điểm vượt quá giới hạn nhiễu xạ, có kích thước nhỏ hơn nên độ chính xác gia công cao hơn. Mặt khác, xung lượng góc của photon do chính trường mang theo có thể trao đổi xung lượng với vật chất. Ví dụ, trường ánh sáng xoáy có cấu trúc pha xoắn ốc mang xung lượng góc quỹ đạo photon, làm cho các hạt quay quanh trục cố định; ánh sáng phân cực tròn thuận tay trái{4}}hoặc tay phải-mang động lượng góc quay của photon, có thể khiến các hạt quay; trường ánh sáng vectơ có trạng thái phân cực thay đổi theo vị trí không gian có thể cho thấy sự tương tác giữa động lượng góc. Theo cách tương tự, các đặc tính động lượng của trường vectơ và trường xoáy cũng có thể được sử dụng trong xử lý laser femto giây, chẳng hạn như sử dụng trường xoáy để tạo ra các cấu trúc bất đối, sử dụng trường vectơ để tạo ra các mẫu phức tạp, v.v.
So với quá trình xử lý laser femto giây truyền thống, quá trình xử lý laser femto giây trường xoáy và vectơ được tạo ra bởi hệ thống laser cực tím công suất cao-với các đặc tính không gian-thời gian có thể kiểm soát được khiến cấu trúc xử lý trở nên đa dạng và phức tạp. Bằng cách thiết kế sự phân bố pha và phân cực của trường ánh sáng, chúng ta có thể thu được nhiều kiểu bề mặt khác nhau và thậm chí cả cấu trúc liên kết ba chiều phức tạp. Sử dụng công nghệ định hình xung laser femto giây kết hợp với công nghệ điều chế ánh sáng không gian-thời gian và công nghệ lấy nét không gian{6}}thời gian để điều chỉnh xung laser cực nhanh trong miền thời gian và miền tần số, đồng thời hiện thực hóa ứng dụng thực tế và xử lý nano ba chiều-vi-trong các vật liệu khác nhau. Những công nghệ này dự kiến sẽ đóng một vai trò quan trọng trong quang học tích hợp mới và quang học vi mô{10}nano.
Ưu điểm và ứng dụng tiềm năng của trường ánh sáng cực tím, vectơ và xoáy femto giây
Với sự phát triển không ngừng của ngành, công nghệ xử lý laser femto giây truyền thống không thể đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của công nghiệp nên cần phải phát triển và tối ưu hóa. Công nghệ xử lý laser femtosecond UV là một phương pháp hiệu quả để cải thiện độ chính xác xử lý và có giá trị ứng dụng lớn trong sản xuất công nghiệp. Công nghệ xử lý laser femtosecond của trường vectơ và xoáy đã thay đổi chế độ xử lý đơn truyền thống, giúp quá trình xử lý laser trở nên linh hoạt và đa dạng hơn. Ngoài ra, công nghệ xử lý laser vectơ UV và xoáy femto giây cũng là thực tiễn và xác minh lý thuyết về sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất, giúp tiết lộ cơ chế vật lý sâu hơn và có ý nghĩa khoa học tích cực.