Вы когда-нибудь задумывались, как лазеры могут разрезать материалы с такой точностью? Эта статья исследует увлекательный мир наносекундных, пикосекундных и фемтосекундных лазеров. Вы узнаете, как работают эти лазеры, их уникальные преимущества и широкое применение в обработке материалов. Окунитесь в мир, чтобы раскрыть секреты этих мощных инструментов!
Давайте начнем с преобразования единиц времени.
Имея такое представление о единицах времени, мы можем увидеть, что фемтосекундные лазеры производят чрезвычайно короткие импульсы.
В последние годы ультракороткие импульсы лазерная обработка Технологии стремительно развиваются.
Лазеры играют важнейшую роль в современном производстве и обработке материалов, причем их эффективность во многом определяется длительностью импульса. В этом разделе рассматриваются три ключевых типа сверхбыстрых лазеров: наносекундные, пикосекундные и фемтосекундные, каждый из которых отличается все более короткой длительностью импульса и уникальными характеристиками взаимодействия с материалом.
Наносекундные лазеры с длительностью импульса 10-⁹ секунд уже несколько десятилетий широко применяются в промышленности. Эти лазеры обеспечивают баланс между мощностью и точностью, что делает их пригодными для широкого спектра задач по обработке материалов, включая резку, сверление и маркировку. Однако их относительно большая длительность импульса может вызвать значительные зоны теплового воздействия (HAZ) в чувствительных материалах, что потенциально может привести к термическому повреждению, микротрещинам или нежелательным изменениям материала.
Пикосекундные лазеры, работающие с импульсами длительностью 10¹² секунды, представляют собой значительное достижение в области прецизионной лазерной обработки. Уменьшенная длительность импульса минимизирует тепловые эффекты, позволяя более контролируемо осаждать энергию и удалять материал. Это приводит к более чистой абляции, более резким краям деталей и уменьшению сопутствующего ущерба. Пикосекундные лазеры отлично подходят для приложений, требующих высокой точности, таких как микрообработка, нанесение рисунка на тонкие пленки и обработка термочувствительных материалов, таких как полимеры и керамика.
Фемтосекундные лазеры, находящиеся на переднем крае сверхбыстрой лазерной технологии, обеспечивают импульсы в диапазоне 10-¹⁵ секунд. Эти невероятно короткие импульсы обеспечивают явление, известное как "холодная абляция". Энергия лазера подается быстрее, чем время термической релаксации материала, что приводит к прямому испарению целевой области без значительной теплопроводности в окружающие области. Эта уникальная характеристика обеспечивает беспрецедентную точность удаления материала, практически без зоны термического влияния, что делает фемтосекундные лазеры идеальными для сверхточных применений в обработке полупроводников, производстве биомедицинских устройств и изготовлении наноматериалов.
Переход от наносекундных к фемтосекундным лазерам представляет собой смену парадигмы в механизмах взаимодействия лазера с материалом. Если наносекундные лазеры в основном полагаются на фототермические процессы, то пикосекундные и фемтосекундные лазеры все больше используют фотоабляционные и фотохимические взаимодействия. Этот сдвиг приводит к повышению точности, снижению тепловых эффектов и возможности обработки расширенного спектра материалов, включая традиционно сложные вещества, такие как прозрачные материалы и сверхтвердые сплавы.
В целом, наносекундные (10-⁹ с), пикосекундные (10-¹² с) и фемтосекундные (10-¹⁵ с) лазеры предлагают широкий спектр возможностей для сверхбыстрой лазерной обработки. Выбор между этими технологиями зависит от конкретных требований приложения, балансируя между такими факторами, как скорость обработки, точность, чувствительность материала и экономическая эффективность. По мере развития лазерных технологий интеграция этих сверхбыстрых лазеров со сложными системами формирования луча, мониторинга процесса в реальном времени и адаптивными системами управления расширяет границы возможного в современном производстве и обработке материалов.
Уже давно люди пытаются использовать лазеры для микрообработки.
Однако длинные импульсы и низкая интенсивность лазерного излучения традиционных лазеров приводили к тому, что материал постоянно плавился и испарялся.
Даже если лазерный луч можно было сфокусировать на небольшом участке, возникающее тепловое воздействие на материал все равно было значительным, что ограничивало точность обработки.
Для улучшения качества обработки необходимо было снизить тепловой эффект.
Когда на материал воздействует лазерный импульс пикосекундной длительности, эффект обработки резко меняется.
При резком увеличении энергии импульса высокая плотность мощности достаточна для удаления внешних электронов.
Взаимодействие между лазером и материалом настолько короткое, что ионы сжигаются с поверхности материала до того, как энергия передается окружающим материалам, что позволяет избежать теплового воздействия.
Поэтому этот процесс также называют "холодной обработкой".
Благодаря преимуществам холодной обработки короткие и ультракороткие импульсные лазеры нашли свое применение в промышленном производстве.
Лазерная обработка: длинный импульс против ультракороткого импульса
При обработке ультракороткими импульсами энергия быстро подается в небольшую зону воздействия.
Высокая плотность энергии, вносимая за мгновение, изменяет режим поглощения и движения электронов, исключая эффекты линейного поглощения, переноса энергии и диффузии лазера. Это в корне меняет механизм взаимодействия лазера с материалом.
Положение после обработки длинноимпульсным лазером
Положение после обработки сверхбыстрым лазерным импульсом
Лазерная обработка включает в себя мощную резку и сварку.
Различные методы лазерной обработки, такие как бурениеСкребок, резка, текстурирование, зачистка и изоляция в основном используются в микрообработке для следующих целей:
| Классификация | Непрерывная волна (CW) | Квазинепрерывные （QCW） | Короткий импульс （Q-Switched） | Ультракороткий импульс （Mode-locked） |
|---|---|---|---|---|
| Форма выпуска | Непрерывный выход | Миллисекунда-микросекунда （ms-μs） | Наносекунда (нс) | Пикосекунда ~ Фемтосекунда （ps-fs） |
| Приложение | Лазерная сварка лазерная резка Лазерная наплавка | Лазерное сверление Термическая обработка | Лазерная маркировка Лазерное сверление Лазерное лечение Лазерное быстрое прототипирование | Микро-нано обработка Тонкий лазерный медицинский Прецизионное сверление Прецизионная резка |
При разработке печатных плат керамические подложки все чаще используются для замены традиционных пластиковых подложек благодаря их лучшей теплопроводности.
Для подключения электронных компонентов обычно необходимо просверлить в плате сотни тысяч отверстий микрометрового размера.
Таким образом, необходимо обеспечить, чтобы на стабильность подложки не влияло тепло, выделяемое в процессе сверления.
Пикосекундные лазеры - идеальный инструмент для решения этой задачи.
При использовании ударного сверления пикосекундные лазеры могут завершить обработку отверстия и сохранить его однородность.
Помимо печатных плат, пикосекундные лазеры можно использовать для сверления высококачественных отверстий в таких материалах, как пластиковые пленки, полупроводники, металлические пленки и сапфиры.
Например, при бурении 100-микрометровой скважинытолстый лист нержавеющей стали с использованием 10000 импульсов 3,3-наносекундного или 200-фемтосекундного лазера вблизи порога абляции:
Линии могут быть получены путем сканирования и наложения лазерных импульсов.
Благодаря многократному сканированию можно проникнуть вглубь керамического материала, пока глубина линии не достигнет 1/6 толщины материала.
Затем модули отделяются от керамической подложки по этим нацарапанным линиям - этот процесс называется скрайбированием.
Другим методом разделения является ультракороткоимпульсная лазерная абляционная резка, также известная как абляционная резка.
В этом процессе лазер удаляет материал путем абляции до тех пор, пока материал не будет прорезан.
Одним из преимуществ этой технологии является большая гибкость в отношении формы и размера обрабатываемого отверстия.
Все этапы обработки могут быть выполнены с помощью пикосекундного лазера.
Также стоит отметить различия в воздействии пикосекундных и наносекундных лазеров на поликарбонатные материалы.
Еще одно распространенное применение микрообработки - точное удаление покрытий без повреждения основного материала.
Абляция может варьироваться от линии шириной в несколько микрон до большой площади в несколько квадратных сантиметров.
Поскольку толщина покрытия обычно намного меньше ширины абляции, тепло не может быть отведено в стороны. В этом случае можно использовать лазер с наносекундной шириной импульса.
Сочетание высокой средней мощности лазера, квадратного или прямоугольного проводящего волокна и плоского распределения интенсивности света делает лазерную абляцию поверхности хорошо подходящей для промышленных применений.
Например, лазер Trumicro 7060 от компании Trumpf используется для удаления покрытия на стекле тонкопленочных солнечных батарей.
Этот же лазер может использоваться в автомобильной промышленности для удаления антикоррозийных покрытий и подготовки к последующей сварке.
Гравировка подразумевает создание трехмерных форм путем абляции материалов.
Хотя размер абляции может превышать традиционные рамки микрообработки, требуемая точность все же относится к области применения лазеров.
Пикосекундные лазеры могут использоваться для обработки краев поликристаллического алмаза инструменты для фрезерования машины.
Лазеры - идеальный инструмент для обработки поликристаллических алмазов, которые представляют собой чрезвычайно твердые материалы, используемые для изготовления кромок фрез.
Преимущества использования лазеров заключаются в бесконтактной обработке и высокой точности обработки.
Микрообработка имеет широкий спектр применения и все чаще используется для производства различных предметов повседневной необходимости.
Лазерная обработка является бесконтактным методом и обладает рядом значительных преимуществ, включая меньшее количество этапов последующей обработки, хорошую управляемость, простоту интеграции, высокую эффективность обработки, низкие потери материала и минимальное воздействие на окружающую среду.
Она получила широкое распространение в таких отраслях, как автомобилестроение, электроника, электроприборы, авиация, металлургия и машиностроение, играя все более важную роль в повышении качества продукции, производительности труда и автоматизации при одновременном снижении расхода материалов.
Наносекундные, пикосекундные и фемтосекундные лазеры различаются главным образом длительностью импульса. Наносекунда (нс) равна 10-9 секунд, пикосекунда (пс) - 10-12 секунд, а фемтосекунда (фс) равна 10-15 секунд. Эти ультракороткие длительности импульсов играют важную роль в определении областей применения и возможностей этих лазеров.
Фемтосекундные лазеры хорошо подходят для применения в офтальмологии и точной обработке материалов благодаря чрезвычайно коротким импульсам и снижению теплового повреждения. Пикосекундные лазеры аналогичны, обеспечивая высокую точность в таких задачах, как микрообработка или удаление татуировок. Наносекундные лазеры с большей длительностью импульса находят свое применение в тех областях, где требуется большая передача энергии.
В общем, выбор между наносекундными, пикосекундными и фемтосекундными лазерами зависит от специфических требований различных приложений. Эти сверхбыстрые лазеры предлагают широкий спектр возможностей, когда речь идет о точности, передаче энергии и снижении тепловых повреждений, что делает их незаменимыми инструментами во многих отраслях промышленности и сферах.
Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.
RU 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
KO