O laser é considerado uma das maiores invenções do século 20. Com o fim de três revoluções industriais, o laser será a chave para liderar a quarta revolução industrial. O surgimento do laser promoveu bastante o desenvolvimento da indústria. O laser se tornou o meio mais avançado e amplamente utilizado na usinagem devido às suas vantagens, como alta potência, foco fácil, alto brilho e boa diretividade. O processamento a laser tem as vantagens de alta precisão, alta velocidade e baixo custo. Pode ser controlado automaticamente pela programação de computadores. Pode processar a estrutura com uma forma complexa. Por ser um processo sem contato, não danifica o material e é seguro e confiável.
Classificação e características do processamento a laser
De acordo com o mecanismo de interação entre laser e matéria, o processamento a laser pode ser dividido em duas categorias: processamento térmico a laser e processamento não térmico. Os tipos de laser usados no processamento térmico e não térmico são diferentes. O laser de pulso longo ou laser contínuo é geralmente usado no processamento térmico, e o laser de pulso ultracurto, como picossegundo e femtossegundo, geralmente é usado no processamento não térmico.
O processamento térmico a laser utiliza o efeito térmico produzido no processo de irradiação a laser de materiais. O sistema molecular dos materiais irradiados precisa obter constantemente energia da irradiação a laser e convertê-la em sua própria energia interna. A temperatura da área irradiada aumenta acentuadamente para atingir o ponto de fusão e o ponto de ebulição dos materiais, fusão e remoção e atingir o objetivo do processamento. Como leva muito tempo para que a energia do laser seja convertida na energia interna do sistema molecular, o laser de pulso longo é frequentemente usado no processamento térmico. Esse método de processamento é simples e direto e tem sido amplamente utilizado na fabricação industrial, como corte a laser, fabricação de aditivos a laser etc. No entanto, devido à inevitável difusão térmica no processamento, a precisão e a rugosidade do processamento térmico a laser são limitadas.
O processamento não térmico é usar os efeitos não lineares (como ionização não linear, dispersão de superfície etc.) causados pela perturbação do sistema eletrônico de materiais, através da transição e ionização dos fótons de absorção de elétrons, das propriedades físicas e químicas de os materiais são induzidos a mudar, levando à geração de alguns novos efeitos (como polimerização de dois fótons, montagem automática do laser etc.), usando esses novos efeitos para obter o aumento O objetivo da precisão e otimização da usinagem. Como a troca de energia entre o sistema de elétrons e o laser pode ser concluída em um instante, o processamento não térmico geralmente usa um laser de pulso ultracurto. Este método possui alta precisão e vários métodos de processamento, que é um dos pontos críticos da pesquisa no campo do processamento a laser.
Vantagens e desvantagens do processamento tradicional de laser de femtossegundos
Potência de pico ultra alta e duração de pulso ultra curta são duas vantagens principais do laser de femtossegundos. O poder de pico ultra alto é suficiente para induzir uma variedade de efeitos não lineares, o que enriquece os métodos de processamento a laser. As características de tempo ultra-rápido também tornam o processo de interação entre o laser de femtossegundos e os materiais muito curtos. A energia da luz absorvida pela área de irradiação do laser não pode ser transferida para outras áreas, de modo a garantir que a energia do laser possa ser depositada com precisão na faixa de irradiação e realizar um processamento ultrafino.
Atualmente, o laser de femtossegundos tem sido amplamente utilizado no campo do processamento micro e nano, incluindo principalmente a gravação direta a laser e a máscara a laser. No entanto, devido ao limite de difração do sistema de usinagem, é impossível reduzir a área de irradiação a laser sem limitação, o que limita o aprimoramento adicional da precisão da usinagem. Ao mesmo tempo, devido às diferentes características não lineares de diferentes materiais, o processamento a laser de femtossegundos depende fortemente dos materiais. O mesmo método de processamento geralmente mostra efeitos de processamento diferentes para materiais diferentes.
Vantagens do processamento ultravioleta de laser de femtosegundo
Com o desenvolvimento da indústria moderna, a exigência de precisão de usinagem está aumentando, e um dos principais fatores que afetam a precisão de usinagem a laser é o limite de difração do sistema de usinagem. O limite de difração é um parâmetro físico que descreve a precisão de imagem ou processamento de um sistema óptico. Quanto menor o limite de difração, maior a precisão do processamento. Geralmente, o limite de difração é diretamente proporcional ao comprimento de onda da luz incidente, portanto, reduzir o comprimento de onda do laser se torna o meio mais direto e eficaz para melhorar o limite de difração. Por exemplo, a tecnologia de litografia UV amplamente usada na indústria atual é melhorar a precisão do processamento, reduzindo o comprimento de onda do laser.
Laser UV refere-se ao laser cujo comprimento de onda é menor que 380 nm. Comparado com o comprimento de onda comumente usado pelo laser de femtossegundo (principalmente na faixa de luz visível 380 nm-760nm), a precisão do processamento do laser de femtossegundo UV é maior. Ao mesmo tempo, devido ao curto comprimento de onda do laser ultravioleta de femtosegundo e à grande energia de um único fóton, os fótons podem cortar diretamente as ligações de ligação de moléculas ou átomos, que é essencialmente uma reação fotoquímica, basicamente sem fenômeno de fusão, portanto limitando a influência do efeito térmico. Por outro lado, a banda UV é a banda sensível de muitos polímeros, como os fotorresistentes. Esses polímeros produzirão um efeito de polimerização de dois fótons sob a irradiação do laser ultravioleta de femtosegundo, que faz com que o colóide fluindo polimerize em um sólido com alta resistência mecânica. Após o processamento, o fotorresistente será lavado e a estrutura desejada poderá ser obtida. Usando esse princípio, é possível executar um processamento super fino da estrutura 3 D.
Características e vantagens da usinagem de femtossegundos em campos vetoriais e de vórtice
O processamento tradicional de laser de femtossegundos concentra-se principalmente nas características energéticas do laser. O efeito não linear dos materiais é induzido pela energia ultra-alta do campo de laser de femtossegundos, de modo a atingir o objetivo do processamento. No processo de interação entre luz e matéria, há não apenas a absorção de energia, mas também a troca de momento, o que significa que o novo modo de laser pode dar o máximo de suas vantagens no campo do processamento de femtossegundos.
O campo vetorial e o vórtice são dois dos novos modos a laser mais comuns. Suas características topológicas espaciais de polarização e fase fazem com que o campo tenha algumas propriedades físicas especiais. Por exemplo, o campo vetorial pode convergir para o ponto focal além do limite de difração, que é menor em tamanho, portanto a precisão da usinagem é maior. Por outro lado, o momento angular do fóton transportado pelo próprio campo pode trocar momento com a matéria. Por exemplo, o campo de luz do vórtice com estrutura de fase espiral carrega o momento angular orbital do fóton, que leva as partículas a girar em torno do eixo fixo; a luz polarizada circularmente canhoto ou destro carrega o momento angular da rotação do fóton, o que pode induzir a rotação das partículas; o campo de luz vetorial cujo estado de polarização muda com a posição espacial pode mostrar a interação entre o momento angular. Da mesma forma, as características de momento dos campos de vetor e vórtice também podem ser usadas no processamento a laser de femtossegundos, como o uso de campos de vórtice para induzir estruturas quirais, o uso de campos de vetor para induzir padrões complexos e assim por diante.
Comparado com o tradicional processamento a laser de femtossegundo, o processamento a laser de femtossegundo de campo vetorial e vórtice produzido pelo sistema de laser ultravioleta de alta potência com características controláveis de espaço-tempo torna a estrutura de processamento diversificada e complicada. Ao projetar a distribuição de fase e polarização do campo de luz, podemos obter uma variedade de padrões de superfície e até topologia tridimensional complexa. Usando a tecnologia de modelagem de pulso a laser de femtossegundo, combinada com a tecnologia de modulação da luz no espaço-tempo e a tecnologia de foco no espaço-tempo para modular o pulso do laser ultra-rápido no domínio do tempo e no domínio da frequência e realizar o processamento micro-nano tridimensional e a aplicação prática em diferentes materiais . Espera-se que essas tecnologias desempenhem um papel importante em novas ópticas integradas e micro nano-ópticas.
Vantagens e aplicações potenciais de campos de luz ultravioleta, vetorial e de vórtice de femtossegundos
Com o desenvolvimento contínuo da indústria, a tecnologia tradicional de processamento a laser de femtossegundos não pode atender à crescente demanda industrial, por isso deve ser desenvolvida e otimizada. A tecnologia de processamento a laser de femtosegundo UV é uma maneira eficaz de melhorar a precisão do processamento e possui grande valor de aplicação na fabricação industrial. A tecnologia de processamento a laser de femtossegundos do campo vetorial e vórtice mudou o modo tradicional de processamento único, tornando o processamento a laser mais flexível e diversificado. Além disso, a tecnologia de processamento a laser de vetor e femtossegundo de vórtice UV também é a prática e a verificação da teoria da interação entre luz e matéria, o que é útil para revelar o mecanismo físico mais profundo e tem significado científico positivo.