Lazer, 20. yüzyılın en büyük icatlarından biri olarak kabul ediliyor. Üç sanayi devriminin sona ermesiyle birlikte lazer, dördüncü sanayi devrimine öncülük edecek anahtar olacak. Lazerin ortaya çıkışı endüstrinin gelişimini büyük ölçüde destekledi. Lazer, yüksek güç, kolay odaklanma, yüksek parlaklık ve iyi yönlenme gibi avantajlarından dolayı işlemede en gelişmiş ve yaygın olarak kullanılan yöntem haline gelmiştir. Lazer işleme, yüksek hassasiyet, yüksek hız ve düşük maliyet avantajlarına sahiptir. Bilgisayar programlaması ile otomatik olarak kontrol edilebilir. Yapıyı karmaşık bir şekilde işleyebilir. Temassız-işleme olduğundan malzemeye zarar vermez, emniyetli ve güvenilirdir.
Lazer işlemenin sınıflandırılması ve özellikleri
Lazer ve madde arasındaki etkileşim mekanizmasına göre, lazer işleme iki kategoriye ayrılabilir: lazer termal işleme ve-termal olmayan işleme. Isıl işlemde ve ısıl-olmayan işlemlerde kullanılan lazer türleri farklıdır. Uzun-darbeli lazer veya sürekli lazer genellikle termal işlemede kullanılır ve pikosaniye ve femtosaniye gibi ultra kısa darbeli lazer genellikle-termal olmayan işlemlerde kullanılır.
Bu ailenin ultra hızlı dalı, makalemizde daha ayrıntılı olarak açıklanmaktadır.ultra hızlı lazer işleme teknolojisi.
Lazer termal işleme, malzemelerin lazerle ışınlanması sürecinde üretilen termal etkiyi kullanır. Işınlanan malzemelerin moleküler sisteminin sürekli olarak lazer ışınından enerji alması ve bunu kendi iç enerjisine dönüştürmesi gerekir. Işınlanan alanın sıcaklığı, malzemelerin erime noktasına ve kaynama noktasına ulaşmak, erimek ve uzaklaştırmak ve işleme amacına ulaşmak için keskin bir şekilde yükselir. Lazerin enerjisinin moleküler sistemin iç enerjisine dönüştürülmesi uzun zaman aldığından, termal işlemlerde sıklıkla uzun darbeli lazer kullanılır. Bu işleme yöntemi basit ve doğrudandır ve lazer kesim, lazer eklemeli imalat vb. gibi endüstriyel imalatta yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak, işlemedeki kaçınılmaz termal difüzyon nedeniyle, lazer termal işlemin doğruluğu ve pürüzlülüğü sınırlıdır.
Isıl olmayan{0}}ısıl işlem, malzemelerin elektronik sisteminin bozulmasından kaynaklanan doğrusal olmayan etkilerin (doğrusal olmayan iyonizasyon, yüzey saçılması vb. gibi) kullanılması, elektron soğurma fotonlarının geçişi ve iyonizasyonu yoluyla malzemelerin fiziksel ve kimyasal özelliklerinin değişmesine neden olur, böylece bazı yeni etkilerin (iki-foton polimerizasyonu, lazer kendi kendine{-birleşmesi vb. gibi) üretilmesine yol açar ve bu yeni etkileri kullanarak, İşleme doğruluğunun ve optimizasyonunun amacını artırmak. Elektron sistemi ile lazer arasındaki enerji alışverişi bir anda tamamlanabildiğinden, termal olmayan-işlemede genellikle ultra kısa darbeli bir lazer kullanılır. Bu yöntem, yüksek hassasiyete ve çeşitli işleme yöntemlerine sahiptir ve bu, lazer işleme alanındaki araştırmaların sıcak noktalarından biridir.
Geleneksel femtosaniye lazer işlemenin avantajları ve dezavantajları
Ultra-yüksek tepe gücü ve ultra kısa atım süresi, femtosaniye lazerin iki ana avantajıdır. Ultra-yüksek tepe gücü, lazer işleme yöntemlerini zenginleştiren çeşitli doğrusal olmayan etkileri tetiklemek için yeterlidir. Ultra-hızlı zaman özellikleri aynı zamanda femtosaniye lazer ile malzemeler arasındaki etkileşim sürecini de çok kısa hale getirir. Lazer ışınlama alanı tarafından emilen ışık enerjisi, lazer enerjisinin ışınlama aralığında doğru bir şekilde biriktirilebilmesini ve ultra-ince işlemeyi gerçekleştirebilmesini sağlayacak şekilde diğer alanlara bile aktarılamaz.
Femtosaniyeden bir adım daha kısa giderek,attosaniye darbeli lazer çalışma prensibi.
Şu anda femtosaniye lazer, esas olarak lazer doğrudan yazma ve lazer maskesi dahil olmak üzere mikro ve nano işleme alanında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, işleme sisteminin kırınım sınırı nedeniyle, lazer ışınlama alanını sınırlama olmaksızın azaltmak mümkün değildir, bu da işleme doğruluğunun daha da iyileştirilmesini sınırlar. Aynı zamanda, farklı malzemelerin farklı doğrusal olmayan özellikleri nedeniyle femtosaniye lazer işlemenin malzemelere güçlü bir bağımlılığı vardır. Aynı işleme yöntemi sıklıkla farklı malzemeler için farklı işleme etkileri gösterir.
Ultraviyole femtosaniye lazer işlemenin avantajları
Modern endüstrinin gelişmesiyle birlikte işleme doğruluğu gereksinimi artmaktadır ve lazer işleme doğruluğunu etkileyen ana faktörlerden biri, işleme sisteminin kırınım sınırıdır. Kırınım sınırı, bir optik sistemin görüntüleme veya işleme doğruluğunu açıklayan fiziksel bir parametredir. Kırınım sınırı ne kadar küçük olursa, işleme doğruluğu da o kadar yüksek olur. Genel olarak kırınım sınırı, gelen ışığın dalga boyuyla doğru orantılıdır, dolayısıyla lazer dalga boyunu azaltmak, kırınım sınırını iyileştirmenin en doğrudan ve etkili yolu haline gelir. Örneğin mevcut endüstride yaygın olarak kullanılan UV litografi teknolojisi, lazer dalga boyunu azaltarak işleme doğruluğunu arttırmaya yöneliktir.
UV lazer, dalga boyu 380 nm'den az olan lazeri ifade eder. Femtosaniye lazer tarafından yaygın olarak kullanılan dalga boyuyla karşılaştırıldığında (esas olarak görünür ışık bandında, 380 nm-760 nm), UV femtosaniye lazerin işleme doğruluğu daha yüksektir. Aynı zamanda, ultraviyole femtosaniye lazerin kısa dalga boyu ve tek bir fotonun büyük enerjisi nedeniyle, fotonlar, esas olarak bir fotokimyasal reaksiyon olan moleküllerin veya atomların bağlanma bağlarını, temelde erime fenomeni olmadan doğrudan kesebilir, böylece termal etkinin etkisi sınırlanır. Öte yandan UV bandı, fotorezistler gibi birçok polimerin hassas bandıdır. Bu polimerler, ultraviyole femtosaniye lazerin ışınlaması altında iki fotonlu bir polimerizasyon etkisi üretecek ve bu, akan kolloidin yüksek mekanik mukavemete sahip bir katı halinde polimerize olmasını sağlayacaktır. İşlemden sonra fotorezist yıkanacak ve istenilen yapı elde edilebilecektir. Bu prensibi kullanarak süper ince 3 boyutlu yapı işleme gerçekleştirilebilir.
Birini diğerine tercih etmenin pratik sonuçları için,UV ve kızılötesi lazer arasındaki fark.
Vektör ve girdap alanlarında femtosaniye işlemenin özellikleri ve avantajları
Geleneksel femtosaniye lazer işleme esas olarak lazerin enerji özelliklerine odaklanır. Malzemelerin doğrusal olmayan etkisi, işleme amacına ulaşmak için femtosaniye lazer alanının ultra-yüksek-enerjisi tarafından tetiklenir. Işık ve madde arasındaki etkileşim sürecinde, yalnızca enerjinin emilmesi değil, aynı zamanda momentum alışverişi de söz konusudur; bu, yeni lazer modunun femtosaniye işleme alanındaki avantajlarından tam olarak yararlanabileceği anlamına gelir.
Vektör alanı ve girdap alanı en tipik yeni lazer modlarından ikisidir. Polarizasyon ve faz gibi uzaysal topolojik özellikleri, alanın bazı özel fiziksel özelliklere sahip olmasını sağlar. Örneğin, vektör alanı, boyut olarak daha küçük olan kırınım sınırının ötesinde odak noktasına yakınlaşabilir, dolayısıyla işleme doğruluğu daha yüksektir. Öte yandan alanın taşıdığı fotonun açısal momentumu maddeyle momentum alışverişinde bulunabilir. Örneğin, spiral faz yapısına sahip girdap ışık alanı, parçacıkları sabit eksen etrafında dönmeye iten foton yörünge açısal momentumunu taşır; sol-veya sağ-elli dairesel polarize ışık, parçacıkların dönmesine neden olabilecek foton dönüş açısal momentumunu taşır; Polarizasyon durumu uzaysal konuma göre değişen vektör ışık alanı, açısal momentum arasındaki etkileşimi gösterebilir. Aynı şekilde, vektör ve girdap alanlarının momentum özellikleri de femtosaniye lazer işlemede kullanılabilir; örneğin kiral yapıları tetiklemek için girdap alanlarının kullanılması, karmaşık desenleri tetiklemek için vektör alanlarının kullanılması vb.
Geleneksel femtosaniye lazer işlemeyle karşılaştırıldığında, kontrol edilebilir uzay-zaman özelliklerine sahip yüksek-güçlü ultraviyole lazer sistemi tarafından üretilen vektör ve girdap alanlı femtosaniye lazer işleme, işleme yapısını çeşitlendirilmiş ve karmaşık hale getirir. Işık alanının fazını ve polarizasyon dağılımını tasarlayarak çeşitli yüzey desenleri ve hatta karmaşık üç-boyutlu topoloji elde edebiliriz. Zaman alanında ve frekans alanında ultra hızlı lazer darbesini modüle etmek için uzay-zaman ışık modülasyonu teknolojisi ve uzay-zaman odaklama teknolojisi ile birleştirilmiş femtosaniye lazer darbe şekillendirme teknolojisini kullanmak ve üç-boyutlu mikro-nano işlemeyi ve farklı malzemelerde pratik uygulamayı gerçekleştirmek. Bu teknolojilerin yeni entegre optikler ve mikro nano{10}}optiklerde önemli bir rol oynaması bekleniyor.
Ultraviyole, vektör ve girdap femtosaniye ışık alanlarının avantajları ve potansiyel uygulamaları
Endüstrinin sürekli gelişmesiyle birlikte, geleneksel femtosaniye lazer işleme teknolojisi artan endüstriyel talebi karşılayamıyor, bu nedenle geliştirilmeli ve optimize edilmelidir. UV femtosaniye lazer işleme teknolojisi, işleme doğruluğunu artırmanın etkili bir yoludur ve endüstriyel üretimde büyük uygulama değerine sahiptir. Vektör ve girdap alanının femtosaniye lazer işleme teknolojisi, geleneksel tekli işleme modunu değiştirerek lazer işlemeyi daha esnek ve çeşitli hale getirdi. Ek olarak, UV vektörü ve vorteks femtosaniye lazer işleme teknolojisi aynı zamanda ışık ve madde arasındaki etkileşim teorisinin uygulanması ve doğrulanmasıdır; bu, daha derin fiziksel mekanizmayı ortaya çıkarmaya yardımcı olur ve pozitif bilimsel öneme sahiptir.