מהו לייזר אולטרה מהיר?

הַגדָרָה

לייזר אולטרה-מהיר הוא סוג של לייזר אולטרה-קצר-פולס אינטנסיבי עם רוחב הפולסים הנמוך או בטווח ה-pico2nd (10-12s), המוגדר על סמך צורת הגל של פלט האנרגיה. הגדרה זו קשורה ל"תופעות אולטרה-מהירות". תופעה מהירה במיוחד מתייחסת לתופעה המתרחשת בתהליך פיזיקלי, כימי או ביולוגי המשתנה במהירות במערכת המיקרוסקופית של החומר. במערכת האטומית והמולקולרית, סולם הזמן של תנועת האטומים והמולקולות הוא בסדר גודל של פיקו-שניות עד פמט-שניות. לדוגמה, תקופת הסיבוב המולקולרית היא בסדר גודל של פיקו-שניות, ותקופת הרטט היא בסדר-גודל של פמט-שניות. כאשר רוחב פולס הלייזר מגיע לרמה של pico2nd או femtosecond, הוא יכול להימנע במידה רבה מהשפעה על התנועה התרמית הכוללת של מולקולות (התנועה התרמית של מולקולות היא המהות המיקרוסקופית של טמפרטורת החומר), והחומר נוצר בסולם הזמן של רטט מולקולרי. השפעה, כך שבזמן השגת מטרת העיבוד, ההשפעה התרמית מצטמצמת מאוד.

סוגים

ישנן שיטות סיווג רבות ללייזרים, ביניהן ישנן 4 שיטות סיווג הנפוצות ביותר, כולל סיווג לפי חומר עבודה, סיווג לפי צורת גל פלט אנרגיה (מצב עבודה), סיווג לפי אורך גל פלט (צבע), וסיווג לפי הספק.

ביניהם, על פי צורת הגל של פלט האנרגיה, ניתן לחלק את הלייזרים ללייזרים רציפים, לייזרים פולסים וללייזרים מעין רציפים:

לייזר רציף

זהו לייזר שמפיק באופן רציף צורות גל אנרגיה יציבות במהלך שעות העבודה. הוא מאופיין בהספק גבוה ויכול לעבד חומרים בעלי נפח גדול ונקודת התכה גבוהה, כגון לוחות מתכת.

פולס לייזר

הוא מוציא אנרגיה בצורה של פולסים. על פי רוחב הפולסים, ניתן לחלק אותו עוד יותר ללייזרים מילי-2, לייזרים מיקרו-שניים, מכשירי כיבוי ננו-2, לייזרים פיקו-2, לייזרים femto-2 ולייזרים atto-2; לדוגמה, אם לייזר דופק רוחב הדופק של לייזר הפלט הוא בין 2-1ns, שאנו מכנים לייזרים nano1000nd, וכן הלאה. אנו קוראים לייזרים pico2nd, femto2nd לייזרים, atto2nd לייזרים ולייזרים מהירים במיוחד. הספק של הלייזר הפולס נמוך בהרבה מזה של הלייזר הרציף, אך דיוק העיבוד גבוה מזה של הלייזר הרציף, ובאופן כללי, ככל שרוחב הפולסים צר יותר, דיוק העיבוד גבוה יותר.

קוואזי-CW לייזר

זה יכול להפיק שוב ושוב לייזר בעל אנרגיה גבוהה יחסית בתוך תקופה מסוימת, וזה גם לייזר דופק בתיאוריה.

ניתן לתאר את צורות הגל של פלט האנרגיה של 3 הלייזרים לעיל גם על ידי הפרמטר "מחזור עבודה". עבור לייזר, ניתן לפרש את מחזור העבודה כיחס של זמן תפוקת אנרגיית הלייזר ביחס לזמן הכולל בתוך מחזור דופק.

מחזור עבודה של לייזר CW (=1) > מחזור לייזר מעין-CW > מחזור עבודה לייזר פועם. בדרך כלל, ככל שרוחב הדופק של הלייזר הדופק צר יותר, כך מחזור העבודה נמוך יותר.

בתחום עיבוד החומר, לייזרים פולסים היו בתחילה תוצר מעבר של לייזרים רציפים. הסיבה לכך היא שהספק המוצא של לייזרים רציפים לא יכול להיות גבוה במיוחד בגלל השפעת גורמים כמו יכולת הנשיאה של רכיבי הליבה ורמת הטכנולוגיה בשלב מוקדם, ולא ניתן לחמם את החומר עד לנקודת ההתכה. האמור לעיל משיג את מטרת העיבוד. אם משתמשים באמצעים טכניים מסוימים כדי לרכז את אנרגיית הפלט של הלייזר בפולס בודד, כך שלמרות שההספק הכולל של הלייזר אינו משתנה, ההספק המיידי בזמן הפולס גדל מאוד, מה שעונה על הדרישות של עיבוד החומר. מאוחר יותר, טכנולוגיית הלייזר הרציף הבשילה בהדרגה, ונמצא כי ללייזר דופק יתרון גדול בדיוק העיבוד. הסיבה לכך היא שההשפעה התרמית של לייזר פועם על חומרים קטנה יותר, וככל שרוחב פעימות הלייזר צר יותר, כך האפקט התרמי קטן יותר, וככל שהקצה של החומר המעובד חלק יותר, דיוק העיבוד המתאים גבוה יותר.

רכיבי

2 דרישות ליבה של לייזרים מהירים במיוחד: דופק קצר במיוחד ואנרגיית דופק גבוהה. באופן כללי, ניתן לקבל פולסים קצרים במיוחד באמצעות טכנולוגיית נעילת מצב, וניתן לקבל אנרגיית פולסים גבוהה באמצעות טכנולוגיית הגברה CPA. מרכיבי הליבה המעורבים כוללים מתנדים, אלונקות, מגברים ומדחסים. ביניהם, טכנולוגיית המתנד והמגבר הם הקשים ביותר, והם גם טכנולוגיית הליבה של חברה לייצור לייזר מהיר במיוחד.

מתנד

במתנד מתקבלים פולסי לייזר מהירים במיוחד בטכניקת נעילת מצב.

אֲלוּנקָה

האלונקה מותחת את פעימות הזרע של femto2nd בנפרד בזמן באורכי גל שונים.

מגבר

מגבר ציוץ משמש להמרצה מלאה של הדופק המתוח הזה.

מַדחֵס

המדחס מפגיש את הספקטרום המוגבר של רכיבים שונים ומחזיר אותם לרוחב femto2nd, ובכך יוצר פולסי לייזר femto2nd בעוצמה מיידית גבוהה במיוחד.

יישומים

בהשוואה ללייזרים nano2nd ו-milli2nd, למרות שהעוצמה הכוללת של לייזרים מהירים במיוחד נמוכה יותר, מכיוון שהם פועלים ישירות על סולם הזמן של תנודות מולקולריות של חומר, היא מממשת "עיבוד קר" במובן האמיתי, כך שדיוק העיבוד משתפר מאוד.

בשל מאפיינים שונים, ללייזרים רציפים בעלי הספק גבוה, לייזרים עם פעימות לא אולטרה-מהירים וללייזרים אולטרה-מהירים יש הבדלים גדולים בתחומי היישום במורד הזרם:

לייזרים רציפים בעלי הספק גבוה (ולייזרים מעין רציפים) משמשים לחיתוך, סינטר, הלחמה, חיפוי משטח, קידוח, 3D הדפסה של חומרי מתכת.

לייזרים דופקים שאינם מהירים משמשים לסימון חומרים לא מתכתיים, עיבוד חומרי סיליקון, חריטה מדויקת של משטחי מתכת, ניקוי משטחי מתכת, ריתוך מדויק של מתכות, מיקרו-עיבוד מתכות.

לייזרים מהירים במיוחד משמשים לחיתוך וריתוך של חומרים שקופים כמו זכוכית, PET וספיר וחומרים קשים ושבירים, סימון מדויק, ניתוחי עיניים, פסיבציה מיקרוסקופית וחריטה של ​​חומרים.

מנקודת המבט של השימוש, ללייזרי CW בעלי הספק גבוה וללייזרים אולטרה-מהירים כמעט אין קשרי החלפה הדדיים. הם כמו גרזנים ופינצטה, ולגדלים שלהם יש יתרונות וחסרונות משלהם. ליישומים במורד הזרם של לייזרים דופקים שאינם מהירים יש חפיפה מסוימת עם לייזרים רציפים ולייזרים מהירים במיוחד. מהתוצאות בפועל, תחת אותו יישום, העוצמה שלו לא טובה כמו של לייזרים רציפים, והדיוק שלה לא טוב כמו של לייזרים מהירים במיוחד. הבולט יותר הוא ביצועי העלות.

במיוחד הלייזר האולטרה-סגול הננו 2, למרות שרוחב הפולסים שלו אינו מגיע לרמת ה-pico2, אך דיוק העיבוד השתפר מאוד בהשוואה ללייזרים צבעוניים אחרים של ננו 2, הוא נמצא בשימוש נרחב בעיבוד וייצור של מוצרי 3C. בעתיד, ככל שעלות הלייזרים האולטרה-מהירים יורדת, היא עשויה לכבוש את שוק האולטרה-סגול הננו-2.

לייזרים מהירים במיוחד מממשים עיבוד קר במובן אמיתי ויש להם יתרונות משמעותיים בעיבוד מדויק. ככל שטכנולוגיית הייצור של לייזרים מהירים מבשילה בהדרגה, העלות יורדת בהדרגה. בעתיד, הוא צפוי להיות בשימוש נרחב בביולוגיה רפואית, תעופה וחלל, מוצרי צריכה אלקטרוניים, תצוגת תאורה, סביבת אנרגיה, מכונות מדויקות ותעשיות אחרות במורד הזרם.

קוסמטיקה רפואית

ניתן להשתמש בלייזרים מהירים במיוחד בציוד רפואי לניתוחי עיניים ובמכשירים קוסמטיים. לייזר Femto2nd משמש בניתוחי קוצר ראייה וידוע כ"מהפכה נוספת בניתוחי השבירה" לאחר טכנולוגיית סטיית חזית הגל. ציר העין של חולי קוצר ראייה גדול יותר מציר העין הרגיל, כך שבמצב של הרפיית גלגל העין, המוקד של קרני האור המקבילות לאחר שבירה על ידי מערכת השבירה של העין נופל מול הרשתית. ניתוח לייזר Femto2nd יכול להסיר שרירים עודפים בממד הצירי ולהחזיר את המרחק הצירי לקדמותו. לניתוח לייזר Femto2nd יש את היתרונות של דיוק גבוה, בטיחות גבוהה, יציבות גבוהה, זמן פעולה קצר ונוחות גבוהה, והפך לאחת משיטות ניתוח קוצר ראייה מהמיינסטרים.

מבחינת יופי, ניתן להשתמש בלייזרים מהירים במיוחד כדי להסיר פיגמנטים ושומות מקומיות, להסיר קעקועים ולשפר את הזדקנות העור.

מוצרי חשמל

לייזרים מהירים במיוחד מתאימים לעיבוד חומרים שקופים קשים ושבירים, עיבוד סרט דק, סימון מדויק וכו' בתהליך הייצור של מוצרי אלקטרוניקה. זכוכית מחוסמת וספיר לטלפונים ניידים הינם חומרים קשים, שבירים ושקופים מייצגים בחומרי גלם של מוצרי אלקטרוניקה, במיוחד ספיר, בשל קשיותו הגבוהה והשבירות הגבוהה, היעילות ושיעור התפוקה של שיטות העיבוד המסורתיות נמוכים מאוד; ספיר נמצא כעת בשימוש נרחב זה נמצא בשימוש נרחב בשעונים חכמים, כיסויי מצלמות לטלפונים ניידים, כיסויי מודול טביעת אצבע וכו'; לייזר אולטרה-סגול ננו 2 ולייזר אולטרה-מהיר הם האמצעים הטכניים העיקריים לחיתוך ספיר כיום, והשפעת העיבוד של לייזר אולטרה-מהיר טובה יותר מזו של הלייזר אולטרה-סגול ננו 2. בנוסף, שיטות העיבוד המשמשות את מודולי המצלמה ומודולי טביעת האצבע הן בעיקר לייזרים nano2nd ו-pico2nd. לחיתוך מסכי טלפון נייד גמישים (מסכים מתקפלים) והמתאים 3D קידוח זכוכית בעתיד, הטכנולוגיה המרכזית תהיה ככל הנראה לייזרים מהירים במיוחד.

ללייזרים מהירים במיוחד יש גם יישומים חשובים בייצור פאנלים. ניתן להשתמש בלייזרים מהירים במיוחד לחיתוך מקטבי OLED, קילוף ותיקון במהלך ייצור LCD/OLED.

עבור OLED, החומרים הפולימריים שלו רגישים במיוחד להשפעות תרמיות. בנוסף, הגודל והמרווח של התאים המיוצרים כיום קטנים מאוד, וגם גודל העיבוד הנותר קטן מאוד. תהליך החיתוך המסורתי כמו בעבר אינו מתאים יותר להיום. צורכי הייצור של התעשייה, וכעת יש דרישות יישום למסכים בעלי צורה מיוחדת ומסכים מחוררים, שהם מעבר ליכולות של מלאכת יד מסורתית. בדרך זו באים לידי ביטוי היתרונות של לייזרים אולטרה מהירים, במיוחד לייזרים pico2nd אולטרה סגול או אפילו femto2nd, בעלי אזור קטן מושפע חום ומתאימים יותר ליישומים גמישים יותר כמו עיבוד עקומה.

ריתוך מיקרו

עבור מדיה מוצקה שקופה כגון זכוכית, תופעות שונות כגון ספיגה לא ליניארית, נזקי התכה, היווצרות פלזמה, אבלציה והתפשטות סיבים יתרחשו כאשר לייזר דופק אולטרה קצר מתפשט בתווך. האיור מציג תופעות שונות המתרחשות באינטראקציה בין לייזר דופק אולטרה-קצר לחומר מוצק תחת צפיפויות הספק וסולמות זמן שונים.

כיוון שטכנולוגיית מיקרו-ריתוך לייזר עם פעימות קצר במיוחד אינה צריכה להכניס שכבת ביניים, בעלת יעילות גבוהה, דיוק גבוה, ללא אפקט תרמי מקרוסקופי ובעלת תכונות מכניות ואופטיות אידיאליות יחסית לאחר טיפול מיקרו-ריתוך, היא מתאימה מאוד למיקרו-ריתוך של חומרים שקופים כמו זכוכית. לדוגמה, חוקרים ריתכו בהצלחה מכסי קצה לסיבים אופטיים סטנדרטיים ומיקרו-מובנים באמצעות פולסים של 70 fs, 250 קילו-הרץ.

תאורת תצוגה

היישום של לייזרים מהירים במיוחד בתחום תאורת התצוגה מתייחס בעיקר לשריטה וחיתוך של פרוסות לד. זוהי דוגמה נוספת לכך שלייזרים מהירים במיוחד מתאימים לעיבוד חומרים קשים ושבירים. לעיבוד לייזר מהיר במיוחד יש שטוחות חתך רוחב גבוהה ושבבי קצה מופחתים משמעותית. היעילות והדיוק השתפרו מאוד.

אנרגיה פוטו-וולטאית

ללייזרים מהירים במיוחד יש שטח יישום רחב בייצור תאים פוטו-וולטאיים. לדוגמה, בייצור סוללות CIGS סרט דק, לייזרים מהירים במיוחד יכולים להחליף את תהליך השרבוט המכאני המקורי ולשפר משמעותית את איכות השרבוט, במיוחד עבור קישורי שרבוט P2 ו-P3, אשר יכולים להשיג כמעט ללא שבבים וללא סדקים ולחץ שיורי.

אווירי

על מנת לשפר את הביצועים וחיי השירות של להבי הטורבינה, ולאחר מכן לשפר את ביצועי המנוע, יש צורך לאמץ טכנולוגיית קירור סרט אוויר, המעמידה דרישות גבוהות במיוחד לטכנולוגיית עיבוד חורים בסרט אוויר. בשנת 2018, מכון שיאן לאופטיקה ומכניקה פיתח את אנרגיית הדופק הבודד הגבוהה ביותר בסין. לייזר סיבי femto26nd בדרגה תעשייתית של 2 וואט, ופיתח סדרה של ציוד לייצור אקסטרים מהיר במיוחד בלייזר, השיג פריצת דרך ב"עיבוד קר" של חורי סרט אוויר בלהבי טורבינת מנועי אוויר, ומילאו את הפער הביתי. שיטת עיבוד זו מתקדמת יותר מ-EDM הדיוק של השיטה גבוה יותר, וקצב התשואה משתפר מאוד.

ניתן ליישם לייזרים מהירים במיוחד לעיבוד מדויק של חומרים מרוכבים מחוזקים בסיבים, ושיפור דיוק העיבוד יסייע להרחיב את היישום של חומרים מרוכבים כגון סיבי פחמן בחלל ובתחומים מתקדמים אחרים.

שדה מחקר

טכנולוגיית פילמור 2-פוטונים (2PP) היא "ננו-אופטי" 3D שיטת הדפסה, בדומה לטכנולוגיית אב-טיפוס מהיר לריפוי אור, והעתידן כריסטופר ברנאט מאמין שטכנולוגיה זו עשויה להפוך לצורה מיינסטרים של 3D הדפסה בעתיד. העיקרון של טכנולוגיית פילמור 2-פוטונים הוא ריפוי סלקטיבי של שרף רגיש לאור באמצעות "לייזר פעימות femto2nd". זה נשמע כמו יצירת אב טיפוס מהיר בפוטו-טיפוס, ההבדל הוא שעובי השכבה המינימלי ורזולוציית ציר XY שטכנולוגיית פילמור 2-פוטונים יכולה להשיג הם בין 100 ננומטר ל-200 ננומטר. במילים אחרות, 2PP 3D טכנולוגיית ההדפסה מדויקת פי מאות יותר מטכנולוגיית הדפוס המסורתית לריפוי אור, והדברים המודפסים קטנים יותר מחיידקים.

נכון לעכשיו, המחיר של לייזרים אולטרה מהירים עדיין יקר יחסית. כחלוצה בתעשייה, STYLECNC כבר מייצרת ציוד לעיבוד לייזר מהיר במיוחד והשיגה משוב טוב בשוק. ציוד חיתוך דיוק בלייזר עבור מודולי OLED המבוסס על טכנולוגיית לייזר אולטרה-מהיר, ציוד סימון לייזר אולטרה-מהיר (פיקוס-שניה/פמט-שנייה), ציוד לעיבוד לייזר מחורר זכוכית למסכי תצוגה אינפרא-אדום pico2nd, ופיסי זכוכית אינפרא-אדום pico2nd, הושקו ציוד לחיתוך לייזר, מכונת חיתוך אוטומטית בלתי נראת LED, פרוסות מוליכים למחצה מכונת חיתוך ליזר, ציוד לחיתוך כיסוי זכוכית עבור מודולים לזיהוי טביעות אצבע, קווי ייצור המוני לתצוגה גמישה וסדרה של מוצרי לייזר מהירים במיוחד.

חסרונות יתרונות

Pros

לייזר אולטרה-מהיר הוא אחד מכיווני הפיתוח החשובים בתחום הלייזר. כטכנולוגיה מתפתחת, יש לה יתרונות משמעותיים במיקרו-עיבוד שבבי מדויק. הפולס הקצר במיוחד שנוצר על ידי הלייזר האולטרה-מהיר מגיב עם החומר לזמן קצר מאוד, ואינו מביא חום לחומרים הסובבים אותו, לכן עיבוד לייזר אולטרה-מהיר נקרא גם עיבוד קר. הסיבה לכך היא שכאשר רוחב פולס הלייזר מגיע לרמת פיקו-שנייה או פמטו-שנייה, ניתן להימנע במידה רבה מההשפעה על התנועה התרמית המולקולרית, וכתוצאה מכך ההשפעה התרמית קטנה יותר.

לדוגמה, כאשר אנו חותכים ביצים משומרות עם סכין מטבח קהה, לעתים קרובות אנו חותכים את הביצים המשומרות לחתיכות דקות. אם תבחרו בשיטת חיתוך עם קצה סכין חד במיוחד החותכת את הבלגן במהירות, הביצים המשומרות יחתכו בצורה אחידה ויפה. זה היתרון בלהיות סופר מהיר.

חסרונות

לתעשיות ייצור מתקדמים כמו מעגלים משולבים ופאנלים יש דרישות גבוהות ביותר לציוד לעיבוד לייזר, וקיים סיכון של פריצות דרך טכנולוגיות שלא יעמדו בציפיות.

המחיר של הלייזרים המהירים במיוחד גבוה, ובמעבר לספק לייזר חדש יש סיכון לא להרחיב את השוק כמצופה הן עבור יצרני ציוד הלייזר והן עבור המשתמשים במורד הזרם.