لیزر به عنوان یکی از بزرگترین اختراعات قرن بیستم در نظر گرفته می شود. با پایان یافتن سه انقلاب صنعتی، لیزر کلید رهبری انقلاب صنعتی چهارم خواهد بود. ظهور لیزر به میزان زیادی باعث پیشرفت این صنعت شده است. لیزر به دلیل مزایایی مانند قدرت بالا، فوکوس آسان، روشنایی بالا و جهت دهی خوب، به پیشرفته ترین و پرکاربردترین وسیله در ماشینکاری تبدیل شده است. پردازش لیزر دارای مزایای دقت بالا، سرعت بالا و هزینه کم است. می توان آن را به طور خودکار توسط برنامه نویسی کامپیوتری کنترل کرد. می تواند ساختار را با یک شکل پیچیده پردازش کند. از آنجا که پردازش غیر تماسی است، به مواد آسیبی وارد نمی‌کند و ایمن و قابل اعتماد است.
طبقه بندی و ویژگی های پردازش لیزری
با توجه به مکانیسم تعامل بین لیزر و ماده، پردازش لیزر را می توان به دو دسته تقسیم کرد: پردازش حرارتی لیزری و پردازش غیر{0} حرارتی. انواع لیزرهای مورد استفاده در پردازش حرارتی و غیر{2}}فرآوری حرارتی متفاوت است. لیزر پالس بلند{4} یا لیزر پیوسته معمولاً در پردازش حرارتی و لیزر پالس فوق کوتاه مانند پیکوثانیه و فمتوثانیه معمولاً در پردازش غیر حرارتی استفاده می‌شود.
شاخه فوق سریع این خانواده در مقاله ما بیشتر توضیح داده شده استتکنولوژی پردازش لیزر فوق سریع.
پردازش حرارتی لیزر از اثر حرارتی تولید شده در فرآیند تابش لیزر مواد استفاده می کند. سیستم مولکولی مواد تابیده شده نیاز دارد که دائماً از تابش لیزر انرژی بگیرد و آن را به انرژی داخلی خود تبدیل کند. دمای ناحیه تحت تابش برای رسیدن به نقطه ذوب و نقطه جوش مواد، ذوب و حذف و رسیدن به هدف پردازش به شدت افزایش می یابد. از آنجایی که زمان زیادی طول می کشد تا انرژی لیزر به انرژی داخلی سیستم مولکولی تبدیل شود، لیزر پالس بلند اغلب در پردازش حرارتی استفاده می شود. این روش پردازش ساده و مستقیم است و به طور گسترده ای در ساخت صنعتی مانند برش لیزری، ساخت افزودنی های لیزری و غیره استفاده شده است، اما به دلیل انتشار حرارتی اجتناب ناپذیر در پردازش، دقت و زبری پردازش حرارتی لیزر محدود است.
پردازش حرارتی غیرخطی استفاده از اثرات غیرخطی (مانند یونیزاسیون غیرخطی، پراکندگی سطحی و غیره) ناشی از اختلال در سیستم الکترونیکی مواد است که از طریق انتقال و یونیزه شدن فوتون‌های جذب الکترون، خواص فیزیکی و شیمیایی مواد القا می‌شود و در نتیجه منجر به ایجاد اثرات چند برابری می‌شود. خود-مونتاژ، و غیره)، با استفاده از این جلوه های جدید برای دستیابی به هدف افزایش دقت ماشینکاری و بهینه سازی. از آنجایی که تبادل انرژی بین سیستم الکترونی و لیزر را می توان در یک لحظه تکمیل کرد، در پردازش غیر حرارتی معمولاً از لیزر پالس فوق کوتاه استفاده می شود. این روش دارای دقت بالا و روش های پردازشی متنوعی است که یکی از کانون های تحقیقاتی در زمینه پردازش لیزری است.
مزایا و معایب پردازش لیزر سنتی فمتوثانیه
قدرت پیک بسیار{0} بالا و مدت زمان پالس بسیار کوتاه دو مزیت اصلی لیزر فمتوثانیه است. قدرت پیک فوق العاده بالا برای ایجاد انواع اثرات غیرخطی کافی است که روش های پردازش لیزری را غنی می کند. ویژگی‌های زمان فوق سریع همچنین فرآیند تعامل بین لیزر فمتوثانیه و مواد را بسیار کوتاه می‌کند. انرژی نوری جذب شده توسط ناحیه تابش لیزر حتی نمی تواند به مناطق دیگر منتقل شود تا اطمینان حاصل شود که انرژی لیزر می تواند به طور دقیق در محدوده تابش رسوب کند و پردازش فوق{6} خوب انجام شود.
با یک قدم کوتاهتر از فمتوثانیه، یاد بگیریداصل کار لیزر پالسی آتوثانیه.
در حال حاضر، لیزر فمتوثانیه به طور گسترده در زمینه پردازش میکرو و نانو، به طور عمده شامل نوشتن مستقیم لیزر و ماسک لیزر استفاده شده است. با این حال، به دلیل محدودیت پراش سیستم ماشینکاری، کاهش ناحیه تابش لیزر بدون محدودیت غیرممکن است، که بهبود بیشتر دقت ماشینکاری را محدود می‌کند. در عین حال، به دلیل ویژگی های غیر خطی متفاوت مواد مختلف، پردازش لیزر فمتوثانیه وابستگی زیادی به مواد دارد. روش پردازش یکسان اغلب اثرات پردازش متفاوتی را برای مواد مختلف نشان می دهد.
مزایای پردازش لیزر فمتوثانیه فرابنفش
با توسعه صنعت مدرن، نیاز به دقت ماشینکاری در حال افزایش است و یکی از عوامل اصلی موثر بر دقت ماشینکاری لیزری، حد پراش سیستم ماشینکاری است. حد پراش یک پارامتر فیزیکی است که دقت تصویربرداری یا پردازش یک سیستم نوری را توصیف می کند. هرچه حد پراش کوچکتر باشد، دقت پردازش بالاتر است. به طور کلی، حد پراش به طور مستقیم با طول موج نور فرودی متناسب است، بنابراین کاهش طول موج لیزر مستقیم ترین و موثرترین وسیله برای بهبود حد پراش است. به عنوان مثال، فناوری لیتوگرافی UV که به طور گسترده در صنعت فعلی استفاده می شود، برای بهبود دقت پردازش با کاهش طول موج لیزر است.
لیزر UV به لیزری گفته می شود که طول موج آن کمتر از 380 نانومتر باشد. در مقایسه با طول موجی که معمولاً توسط لیزر فمتوثانیه استفاده می شود (عمدتاً در باند نور مرئی، 380 نانومتر-760 نانومتر)، دقت پردازش لیزر فمتوثانیه UV بالاتر است. در عین حال، به دلیل طول موج کوتاه لیزر فمتوثانیه فرابنفش و انرژی زیاد یک فوتون، فوتون‌ها می‌توانند مستقیماً پیوندهای پیوند مولکول‌ها یا اتم‌ها را که اساساً یک واکنش فتوشیمیایی است، اساساً بدون پدیده ذوب قطع کنند، بنابراین تأثیر اثر حرارتی را محدود می‌کنند. از سوی دیگر، باند UV نوار حساس بسیاری از پلیمرها مانند مقاوم به نور است. این پلیمرها اثر پلیمریزاسیون دو فوتونی را تحت تابش لیزر فمتوثانیه فرابنفش ایجاد می‌کنند که باعث می‌شود کلوئید در حال پلیمریزاسیون به جامد با استحکام مکانیکی بالا تبدیل شود. پس از پردازش، مقاومت نوری شسته می شود و ساختار مورد نظر به دست می آید. با استفاده از این اصل، پردازش ساختار سه بعدی فوق العاده خوب می تواند انجام شود.
برای عواقب عملی انتخاب یکی بر دیگری، مقایسه کنیدتفاوت بین لیزر UV و مادون قرمز.
ویژگی ها و مزایای ماشینکاری فمتوثانیه در زمینه های برداری و گردابی
پردازش لیزر سنتی فمتوثانیه عمدتاً بر ویژگی های انرژی لیزر متمرکز است. اثر غیر خطی مواد توسط انرژی فوق العاده-- میدان لیزر فمتوثانیه القا می‌شود تا به هدف پردازش دست یابد. در فرآیند برهمکنش نور و ماده، نه تنها جذب انرژی، بلکه تبادل تکانه نیز وجود دارد، به این معنی که حالت لیزری جدید می تواند به مزایای خود در زمینه پردازش فمتوثانیه ایفای کامل دهد.
میدان برداری و میدان گرداب دو تا از معمول ترین حالت های لیزری جدید هستند. ویژگی‌های توپولوژیکی فضایی قطبش و فاز آن‌ها باعث می‌شود که میدان دارای برخی ویژگی‌های فیزیکی خاص باشد. به عنوان مثال، میدان برداری می تواند به نقطه کانونی فراتر از حد پراش، که اندازه آن کوچکتر است، همگرا شود، بنابراین دقت ماشینکاری بالاتر است. از سوی دیگر، تکانه زاویه ای فوتون که توسط خود میدان حمل می شود می تواند تکانه را با ماده مبادله کند. به عنوان مثال، میدان نوری گردابی با ساختار فاز مارپیچی حامل تکانه زاویه‌ای مداری فوتون است که ذرات را به چرخش حول محور ثابت سوق می‌دهد. نور قطبی دایره ای-چپ دست یا راست-حامل حرکت زاویه ای اسپین فوتون است که می تواند ذرات را وادار به چرخش کند. میدان نور برداری که حالت پلاریزاسیون آن با موقعیت مکانی تغییر می کند، می تواند برهمکنش بین تکانه زاویه ای را نشان دهد. به همین ترتیب، ویژگی‌های تکانه میدان‌های برداری و گردابی را می‌توان در پردازش لیزر فمتوثانیه‌ای نیز استفاده کرد، مانند استفاده از میدان‌های گردابی برای القای ساختارهای کایرال، استفاده از میدان‌های برداری برای القای الگوهای پیچیده و غیره.
در مقایسه با پردازش لیزر سنتی فمتوثانیه، پردازش لیزر فمتوثانیه میدان بردار و گردابی که توسط سیستم لیزر فرابنفش پرقدرت-با ویژگی‌های فضای قابل کنترل{1}} زمان تولید می‌شود، ساختار پردازش را متنوع و پیچیده می‌کند. با طراحی توزیع فاز و پلاریزاسیون میدان نور، می‌توانیم انواع الگوهای سطحی و حتی توپولوژی سه بعدی{3}} پیچیده را بدست آوریم. استفاده از فناوری شکل‌دهی پالس لیزری فمتوثانیه همراه با-فناوری مدولاسیون نور فضا و فناوری تمرکز بر زمان{6}}برای تعدیل پالس لیزری فوق سریع در حوزه زمان و حوزه فرکانس، و تحقق-ریز{8}} نانو پردازش سه بعدی و کاربرد عملی در مواد مختلف. انتظار می‌رود که این فناوری‌ها نقش مهمی در اپتیک‌های یکپارچه جدید و اپتیک‌های میکرو نانو{10}}ایفا کنند.
مزایا و کاربردهای بالقوه میدان های نوری فمتوثانیه فرابنفش، برداری و گردابی
با توسعه مداوم صنعت، فناوری پردازش لیزر فمتوثانیه سنتی نمی تواند تقاضای رو به رشد صنعتی را برآورده کند، بنابراین باید توسعه و بهینه شود. فناوری پردازش لیزر فمتوثانیه UV روشی موثر برای بهبود دقت پردازش است و ارزش کاربردی زیادی در تولید صنعتی دارد. فناوری پردازش لیزر فمتوثانیه میدان بردار و گرداب، حالت پردازش تک سنتی را تغییر داده و پردازش لیزری را انعطاف‌پذیرتر و متنوع‌تر کرده است. علاوه بر این، فناوری پردازش لیزر فمتوثانیه بردار UV و گرداب نیز تمرین و تأیید تئوری برهمکنش بین نور و ماده است که برای آشکار کردن مکانیسم فیزیکی عمیق‌تر مفید است و دارای اهمیت علمی مثبت است.