ليزر النانو ثانية مقابل ليزر البيكو ثانية مقابل ليزر الفيمتو ثانية: شرح

Cانعكاس الزمن

لنبدأ بتحويل وحدات الزمن.

• 1 مللي ثانية (مللي ثانية) = 0.001 ثانية = 10^-3 ثوانٍ
• 1 ميكروثانية (ميكروثانية) = 0.000001 ثانية = 10^-6 ثوانٍ
• 1 نانو ثانية (ns) = 0.000000001 ثانية = 10^-9 ثوانٍ
• 1 بيكو ثانية (ps) = 0.000000000001 ثانية = 10^-12 ثوانٍ
• 1 فيمتو ثانية (fs) = 0.000000000000001 ثانية = 10^-15 ثوانٍ

من خلال هذا الفهم لوحدات الزمن، يمكننا أن نرى أن ليزر الفيمتو ثانية ينتج نبضات قصيرة للغاية.

في السنوات الأخيرة، النبضات فائقة القصر المعالجة بالليزر شهدت التكنولوجيا تطورات سريعة.

الأساسيات: ليزر النانو ثانية مقابل ليزر البيكو ثانية مقابل ليزر الفيمتو ثانية

يلعب الليزر دورًا حاسمًا في التصنيع الحديث ومعالجة المواد، حيث تتحدد فعاليته إلى حد كبير بمدة النبضة. يستكشف هذا القسم ثلاثة أنواع رئيسية من الليزرات فائقة السرعة: النانو ثانية والبيكو ثانية والفيمتو ثانية، ويتميز كل منها بمدد نبضاتها الأقصر بشكل متزايد وخصائص تفاعل المواد الفريدة.

تم اعتماد ليزر النانو ثانية، مع فترات نبضات تبلغ مدتها 10⁹ ثانية، على نطاق واسع في التطبيقات الصناعية لعقود. توفر هذه الليزرات توازنًا بين القوة والدقة، مما يجعلها مناسبة لمجموعة واسعة من مهام معالجة المواد، بما في ذلك القطع والحفر ووضع العلامات. ومع ذلك، يمكن أن تؤدي مدة نبضها الأطول نسبيًا إلى إحداث مناطق متأثرة بالحرارة (HAZ) في المواد الحساسة، مما قد يؤدي إلى تلف حراري أو تشققات دقيقة أو تعديلات غير مرغوب فيها في المواد.

تمثل أشعة ليزر بيكو ثانية، التي تعمل بنبضات تبلغ 10 ¹² ثانية، تقدمًا كبيرًا في المعالجة الدقيقة بالليزر. تقلل مدة النبضة المنخفضة من التأثيرات الحرارية، مما يسمح بترسيب طاقة أكثر تحكمًا وإزالة المواد. ويؤدي ذلك إلى استئصال أنظف وحواف أكثر وضوحًا للميزات وتقليل الأضرار الجانبية. تتفوق أجهزة ليزر بيكو ثانية في التطبيقات التي تتطلب دقة عالية، مثل الآلات الدقيقة ونمذجة الأغشية الرقيقة ومعالجة المواد الحساسة للحرارة مثل البوليمرات والسيراميك.

في طليعة تكنولوجيا الليزر فائق السرعة، تقدم أشعة ليزر الفيمتو ثانية نبضات في حدود 10¹⁵ ثانية. وتتيح هذه النبضات القصيرة للغاية ظاهرة تُعرف باسم "الاستئصال البارد". يتم توصيل طاقة الليزر بشكل أسرع من وقت الاسترخاء الحراري للمادة، مما يؤدي إلى تبخير مباشر للمنطقة المستهدفة دون توصيل حرارة كبيرة إلى المناطق المحيطة. وتسمح هذه الخاصية الفريدة من نوعها بدقة غير مسبوقة في إزالة المواد، مع عدم وجود منطقة HAZ تقريبًا، مما يجعل ليزر الفمتوثانية مثاليًا للتطبيقات فائقة الدقة في معالجة أشباه الموصلات وتصنيع الأجهزة الطبية الحيوية وتصنيع المواد النانوية.

يمثل التقدم من ليزر النانو ثانية إلى ليزر الفيمتو ثانية نقلة نوعية في آليات التفاعل بين الليزر والمواد. فبينما تعتمد ليزرات النانو ثانية في المقام الأول على العمليات الحرارية الضوئية، فإن ليزرات البيكو ثانية والفيمتو ثانية تستفيد بشكل متزايد من التفاعلات الضوئية والكيميائية الضوئية. ويؤدي هذا التحول إلى تعزيز الدقة وتقليل التأثيرات الحرارية والقدرة على معالجة مجموعة موسعة من المواد، بما في ذلك المواد التي تمثل تحديًا تقليديًا مثل المواد الشفافة والسبائك فائقة الصلابة.

باختصار، تقدم ليزرات النانو ثانية (10⁹ ثانية) والبيكو ثانية (10¹² ثانية) والفيمتو ثانية (10¹⁵ ثانية) مجموعة من القدرات في المعالجة بالليزر فائق السرعة. ويعتمد الاختيار بين هذه التقنيات على متطلبات التطبيق المحددة، وموازنة عوامل مثل سرعة المعالجة والدقة وحساسية المواد وفعالية التكلفة. ومع استمرار تقدم تكنولوجيا الليزر في التقدم، فإن تكامل هذه الليزرات فائقة السرعة مع تشكيل الحزمة المتطورة ومراقبة العملية في الوقت الحقيقي وأنظمة التحكم التكيفية يدفع حدود ما هو ممكن في التصنيع المتقدم ومعالجة المواد.

أهمية الليزر النبضي فائق القصر

حاول الناس لفترة طويلة استخدام الليزر في التصنيع المجهري.

ومع ذلك، تسبب عرض النبضة الطويل وشدة الليزر المنخفضة لليزر التقليدي في ذوبان المادة وتبخرها باستمرار.

على الرغم من إمكانية تركيز شعاع الليزر في بقعة صغيرة، إلا أن التأثير الحراري الناتج على المادة لا يزال كبيرًا، مما يحد من دقة التصنيع.

لتحسين جودة المعالجة، كان من الضروري تقليل تأثير الحرارة.

عندما تعمل نبضة ليزر بمقياس بيكو ثانية على المادة، يتغير تأثير المعالجة بشكل كبير.

مع زيادة حادة في طاقة النبضة، تكون كثافة الطاقة العالية كافية لإزالة الإلكترونات الخارجية.

يكون التفاعل بين الليزر والمادة قصيرًا جدًا بحيث يتم استئصال الأيونات من سطح المادة قبل انتقال الطاقة إلى المواد المحيطة بها، مما يؤدي إلى تجنب التأثير الحراري.

ولهذا السبب يشار إلى هذه العملية أيضًا باسم "العمل البارد".

وبفضل فوائد العمل على البارد، وجدت أشعة الليزر ذات النبضات القصيرة والقصيرة جدًا طريقها إلى الإنتاج والتطبيقات الصناعية.

المعالجة بالليزر: النبضات الطويلة مقابل النبضات فائقة القصر

في المعالجة بالنبضات فائقة القصر، يتم حقن الطاقة بسرعة في منطقة عمل صغيرة.

وتؤدي كثافة الطاقة العالية المودعة في لحظة إلى تغيير نمط امتصاص الإلكترون وحركته، مما يؤدي إلى تجنب تأثيرات الامتصاص الخطي لليزر وانتقال الطاقة والانتشار. وهذا يغير بشكل أساسي آلية التفاعل بين الليزر والمادة.

الموضع بعد المعالجة بالليزر النبضي الطويل

الموضع بعد معالجة النبضات الليزرية فائقة السرعة

تطبيق واسع النطاق للمعالجة بالليزر

تشمل المعالجة بالليزر القطع واللحام عالي الطاقة.

طرق المعالجة بالليزر المختلفة، مثل الحفروالخدش والقطع والتركيب والتجريد والعزل، تُستخدم بشكل أساسي في التصنيع المجهري للأغراض التالية:

1. ثقب الحفر

في تصميم لوحات الدارات الكهربائية، يتم استخدام ركائز السيراميك بشكل متزايد كبديل للركائز البلاستيكية التقليدية بسبب توصيلها الحراري الأفضل.

لتوصيل المكونات الإلكترونية، عادةً ما يكون من الضروري حفر مئات الآلاف من الثقوب بحجم المتر الصغير في اللوحة.

وبالتالي، من الضروري ضمان عدم تأثر استقرار الركيزة بالحرارة المتولدة أثناء عملية الحفر.

تُعد أشعة الليزر بيكو ثانية أداة مثالية لهذا التطبيق.

باستخدام الحفر بالصدم، يمكن لليزر بيكو ثانية إكمال معالجة الثقب والحفاظ على اتساق الثقب.

بالإضافة إلى لوحات الدارات الكهربائية، يمكن أيضًا استخدام ليزر بيكو ثانية لحفر ثقوب عالية الجودة في مواد مثل الأغشية البلاستيكية وأشباه الموصلات والأغشية المعدنية والصفير.

على سبيل المثال، عند حفر 100 ميكرومتر، فإنصفائح سميكة من الفولاذ المقاوم للصدأ باستخدام 10000 نبضة من ليزر 3.3 نانوثانية أو ليزر 200 فيمتو ثانية بالقرب من عتبة الاستئصال:

2. الخربشة والقطع

يمكن إنشاء الخطوط عن طريق المسح الضوئي وتراكب نبضات الليزر.

من خلال إجراء عمليات مسح متعددة، من الممكن التغلغل بعمق داخل المادة الخزفية حتى يصل عمق الخط إلى 1/6 من سُمك المادة.

وبعد ذلك يتم فصل الوحدات عن الركيزة الخزفية على طول هذه الخطوط المخطوطة، وهي عملية تُعرف باسم الخربشة.

وهناك طريقة أخرى للفصل وهي القطع بالاستئصال بالليزر النبضي فائق القِصَر، والمعروف أيضاً باسم القطع بالاستئصال.

في هذه العملية، يزيل الليزر المادة من خلال الاستئصال حتى يتم قطع المادة.

تتمثل إحدى مزايا هذه التقنية في مرونتها الأكبر من حيث شكل وحجم الثقب المشغول آليًا.

يمكن تنفيذ جميع خطوات المعالجة باستخدام ليزر بيكو ثانية.

وتجدر الإشارة أيضًا إلى الاختلافات في تأثيرات ليزر البيكو ثانية والنانو ثانية على مواد البولي كربونات.

3. الاستئصال الخطي (إزالة الطلاء)

من التطبيقات الشائعة الأخرى في التصنيع المجهري إزالة الطلاءات بدقة دون التسبب في أي ضرر للمادة الأساسية.

يمكن أن يتراوح الاستئصال من خط بعرض بضعة ميكرونات إلى مساحة كبيرة تغطي عدة سنتيمترات مربعة.

نظرًا لأن سمك الطلاء عادة ما يكون أرق بكثير من عرض الاستئصال، فلا يمكن توصيل الحرارة إلى الجوانب. وفي هذه الحالة، يمكن استخدام ليزر بعرض نبضة نانو ثانية.

إن الجمع بين الليزر عالي متوسط الطاقة الليزرية والألياف المربعة أو المستطيلة الموصلة وتوزيع شدة الضوء المسطح يجعل الاستئصال السطحي بالليزر مناسبًا تمامًا للتطبيقات الصناعية.

على سبيل المثال، يتم استخدام ليزر تروميكرو 7060 من شركة ترومبف لإزالة الطلاء على زجاج الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة.

يمكن أيضًا استخدام الليزر نفسه في صناعة السيارات لإزالة الطلاءات المضادة للتآكل والتحضير للحام اللاحق.

4. النقش

ينطوي النقش على إنشاء أشكال ثلاثية الأبعاد عن طريق استئصال المواد.

على الرغم من أن حجم الاجتثاث قد يتجاوز النطاق التقليدي للاستئصال الدقيق، إلا أن الدقة المطلوبة لا تزال تضعه ضمن نطاق تطبيقات الليزر.

يمكن استخدام ليزر البيكو ثانية لمعالجة حواف الماس متعدد الكريستالات أدوات الطحن الماكينات.

يُعدّ الليزر أداة مثالية لتصنيع الماس متعدد الكريستالات بالماس، وهي مواد شديدة الصلابة تُستخدم لصنع حواف قواطع الطحن.

تشمل فوائد استخدام الليزر المعالجة غير التلامسية ودقة التصنيع العالية.

تتمتع الآلات الدقيقة بمجموعة واسعة من التطبيقات ويتم استخدامها بشكل متزايد لإنتاج مجموعة متنوعة من الضروريات اليومية.

تُعد المعالجة بالليزر طريقة غير تلامسية وتوفر العديد من المزايا الهامة، بما في ذلك عدد أقل من خطوات ما بعد المعالجة، وإمكانية التحكم الجيدة، وسهولة التكامل، وكفاءة معالجة عالية، وفقدان منخفض للمواد، وأثر بيئي ضئيل.

وقد أصبح منتشرًا على نطاق واسع في صناعات مثل السيارات والإلكترونيات والأجهزة الكهربائية والطيران والمعادن وتصنيع الآلات، حيث يلعب دورًا متزايد الأهمية في تحسين جودة المنتج وإنتاجية العمل والأتمتة مع تقليل استهلاك المواد.

الخاتمة

تختلف ليزرات النانو ثانية والبيكو ثانية والفيمتو ثانية بشكل أساسي في فترات نبضاتها. النانوثانية النانوثانية (ns) هي 10^-9 ثانية، البيكوثانية البيكو ثانية (ps) تساوي 10^-12 ثانية والفيمتو ثانية (fs) هي 10 ثوانٍ^-15 ثانية. تُعد فترات النبضات القصيرة للغاية هذه مفيدة في تحديد تطبيقات وقدرات هذه الليزرات.

ليزر الفيمتو ثانية مناسب تمامًا للتطبيقات في طب العيون والمعالجة الدقيقة للمواد بسبب نبضاته القصيرة للغاية وتقليل الضرر الحراري. وتتشابه ليزرات بيكو ثانية مع ليزرات الفيمتو ثانية التي توفر دقة عالية في مهام مثل المعالجة الدقيقة أو إزالة الوشم. أما ليزرات النانو ثانية، ذات فترات النبضات الأطول، فتُستخدم في التطبيقات التي تتطلب نقل المزيد من الطاقة.

وباختصار، يعتمد الاختيار بين ليزر النانو ثانية والبيكو ثانية والفيمتو ثانية على المتطلبات المحددة لمختلف التطبيقات. تقدم هذه الليزرات فائقة السرعة مجموعة من الإمكانيات عندما يتعلق الأمر بالدقة ونقل الطاقة وتقليل الضرر الحراري، مما يجعلها أدوات لا غنى عنها في العديد من الصناعات والمجالات.