01 Ръководство за хартия
Прозрачните материали (като стъкло и сапфир) са незаменими в индустрията и авангардни-изследвания поради отличните си физикохимични свойства. Въпреки това, тяхната висока твърдост и характеристики с висока ширина на лентата превърнаха механичната обработка в предизвикателство от век-. Появата на фемтосекундните лазери доведе до революция във вътрешното модифициране и обработка на прозрачни материали, но проблеми като бавна скорост на обработка и податливост на повреда от напрежение винаги са били тесни места, ограничаващи индустриалните им приложения (като изискването за 1000 дупки в секунда за производство на стъклени-дупки). Тази статия въвежда нов метод за ултра-бързо пробиване на прозрачни материали, постигнат чрез преходно електронно възбуждане, със скорости на обработка, увеличени милиони пъти в сравнение с традиционните техники за ударно пробиване.
02 Преглед на пълния текст
Изследването предлага техника, наречена „преходна селективна лазерна абсорбция на Бесел“. Първо, Гаус-разпределен пикосекунден лазер се оформя в лъч на Бесел, който може да възбуди образуването на дълги, еднакви канали за електронно възбуждане или „лазерни нишки“ с едно нападение в прозрачни материали. Образуването на този канал предизвиква мигновена промяна в оптичните свойства на материала в мащаб от пикосекундни до наносекунди, превръщайки се от изолатор в състояние, подобно на това на полу-метал, с драматично увеличение на коефициента на поглъщане. В същото време лазерните нишки ефективно и равномерно абсорбират микросекундна-дълга импулсна лазерна енергия, незабавно нагрявайки материала в канала до точката на изпаряване и отстраняване. Този метод умело избягва ефектите на екраниране на плазменото отражение, наблюдавани при традиционната лазерна обработка с висок-интензитет. В крайна сметка, само за десетки микросекунди, в кварцово стъкло с дебелина 1 мм може да се създаде високо{9}}качествен проходен-отвор с диаметър от около 3,1 микрона и съотношение на дълбочина-към-диаметър до 322, без никаква конусност или микро-пукнатини.
03 Графичен анализ
Фигура 1 (A) показва дизайна на оптичния път, където импулс от пикосекунден лазер и импулс от микросекунден лазер се оформят съответно в лъчи на Бесел от аксиална призма, след което се комбинират ко-аксиално чрез разделител на лъча и се фокусират върху проба от прозрачен материал. Фигура 1 (B) разкрива физическия процес по време на машинна обработка: Стъпка първа, пикосекундният лазер индуцира дълъг и равномерен канал за електронно възбуждане вътре в материала; Стъпка втора, последващата микросекундна лазерна енергия се абсорбира селективно от този канал, като се постига мигновено и равномерно отстраняване на материала, като в крайна сметка се образува проходен-отвор с високо аспектно съотношение.
Фигура 2 интуитивно демонстрира основния физически механизъм чрез помпа-технология за изобразяване на сонда. Импулс на Бесел с ширина на импулса от 5 ps индуцира нишки в кварцовото стъкло, позволявайки стабилно образуване на равномерен възбуждащ канал с дължина над 1 mm в рамките на 10 ps. По-важното е, че този канал, който има висок коефициент на поглъщане, може да съществува стабилно за най-малко 1,8 ns, много по-дълго от времето за релаксация на електронната -решетка, поддържайки плазмата във високо-енергийно състояние и осигурявайки достатъчни условия за селективно поглъщане на последващи микросекундни импулси.
Фигура 3 показва морфологията на отвора на микро-ниво. В кварцово стъкло с дебелина 1 mm са необходими само 20 микросекунди за обработка на проходен-отвор с диаметър около 3,1 µm, със съотношение на дълбочина-към-диаметър до 322. Страничният изглед показва, че каналът е прав и без конус, с гладки стени на отвора, без остатъци или микропукнатини, което демонстрира изключително високо качество на обработка. Чрез регулиране на ширината на импулса на микросекундния лазер, диаметърът на отвора също може да се регулира до известна степен.
Фигура 4 демонстрира универсалността и потенциала за индустриално приложение на тази технология. В допълнение към кварцовото стъкло, този метод е успешно приложен и към различни често използвани прозрачни материали като боросиликатно стъкло и натриево-калциево стъкло. Чрез фиксиране на лазера и използване на високо-скоростна движеща се платформа е възможно да се постигне ултра-висока ефективност от 1000 отвора в секунда, надеждно произвеждайки хиляди еднакви-матрици от отвори.
04 Резюме
Изследването в тази статия постигна иновация в областта на лазерната обработка чрез технология за преходно електронно възбуждане. Чрез умело разделяне на двата физически процеса на „електронно възбуждане“ и „отстраняване на материал“ и присвояването им на два координирани във времето лазерни импулса от пикосекунди и микросекунди, той успешно преодолява фундаменталните проблеми на бавната скорост и ниското използване на енергия при традиционната свръхбърза лазерна обработка, повишавайки ефективността на пробиване с милион пъти. Тази технология не само позволява ултра{2}}бързо, високо-качество и високо аспектно съотношение чрез-производство на дупки в милиметрови-дебели прозрачни материали, но също така демонстрира своята универсалност за различни материали и огромен потенциал за широко-мащабно производство. Очаква се този пробив да има дълбоко въздействие в области като опаковане на полупроводници, биомедицински приложения и авангардни-научни изследвания.
