01Przewodnik po papierze
Przezroczyste materiały (takie jak szkło i szafir) są niezbędne w przemyśle i{{0}nowoczesnych badaniach ze względu na ich doskonałe właściwości fizykochemiczne. Jednak ich wysoka twardość i duża przerwa wzbroniona sprawiły, że obróbka mechaniczna stała się wyzwaniem-od stu lat. Pojawienie się laserów femtosekundowych spowodowało rewolucję w wewnętrznej modyfikacji i przetwarzaniu materiałów przezroczystych, ale problemy takie jak mała prędkość przetwarzania i podatność na uszkodzenia naprężeniowe zawsze stanowiły wąskie gardła ograniczające ich zastosowania przemysłowe (takie jak wymóg 1000 otworów na sekundę w przypadku-produkcji otworów przelotowych w szkle). W artykule przedstawiono nową metodę ultraszybkiego wiercenia materiałów przezroczystych, osiąganą poprzez przejściowe wzbudzenie elektroniczne, przy prędkościach przetwarzania milion razy zwiększonych w porównaniu z tradycyjnymi technikami wiercenia udarowego.
02Przegląd pełnego tekstu
W badaniu zaproponowano technikę zwaną „przejściową selektywną absorpcją lasera Bessela”. Najpierw laser pikosekundowy z rozproszeniem Gaussa-jest kształtowany w wiązkę Bessela, która może wzbudzić tworzenie długich, jednolitych kanałów wzbudzenia elektronów, czyli „włókien laserowych”, przy pojedynczym padaniu w przezroczystych materiałach. Utworzenie tego kanału powoduje natychmiastową zmianę właściwości optycznych materiału w skali od pikosekundy do nanosekundy, przekształcając się z izolatora w stan podobny do stanu pół-metalu, z dramatycznym wzrostem współczynnika absorpcji. Jednocześnie włókna lasera skutecznie i równomiernie pochłaniają energię impulsu lasera o długości-mikrosekund, natychmiastowo podgrzewając materiał w kanale do punktu odparowania i usunięcia. Metoda ta sprytnie pozwala uniknąć efektu ekranowania odbicia plazmy występującego w tradycyjnej-przetwarzaniu laserowym o dużej intensywności. Ostatecznie w ciągu zaledwie kilkudziesięciu mikrosekund w szkle kwarcowym o grubości 1 mm można utworzyć wysokiej-jakości-otwór przelotowy o średnicy około 3,1 mikrona i stosunku głębokości-do-średnicy do 322 w szkle kwarcowym o grubości 1 mm, bez żadnych stożkowatości ani mikro-pęknięć.
03Analiza graficzna
Rysunek 1 (A) przedstawia projekt ścieżki optycznej, w którym impuls lasera pikosekundowego i impuls lasera mikrosekundowego są kształtowane odpowiednio w wiązki Bessela za pomocą pryzmatu osiowego, a następnie-łączone współosiowo za pomocą rozdzielacza wiązki i skupiane na przezroczystej próbce materiału. Rysunek 1 (B) przedstawia proces fizyczny podczas obróbki: Krok pierwszy: laser pikosekundowy indukuje długi i jednolity kanał wzbudzenia elektronów wewnątrz materiału; Krok drugi: kolejna mikrosekundowa energia lasera jest selektywnie absorbowana przez ten kanał, co pozwala na natychmiastowe i równomierne usunięcie materiału, a ostatecznie na utworzenie-otwóru przelotowego o wysokim współczynniku kształtu.
Rysunek 2 w intuicyjny sposób przedstawia podstawowy mechanizm fizyczny wykorzystujący technologię obrazowania-pompy i sondy. Impuls Bessela o szerokości impulsu 5 ps indukuje włókna w szkle kwarcowym, umożliwiając stabilne utworzenie jednolitego kanału wzbudzenia o długości ponad 1 mm w ciągu 10 ps. Co ważniejsze, ten kanał, który ma wysoki współczynnik absorpcji, może stabilnie istnieć przez co najmniej 1,8 ns, znacznie dłużej niż czas relaksacji sieci elektronowej, utrzymując plazmę w stanie wysokiej-energetycznej i zapewniając wystarczające warunki do selektywnej absorpcji kolejnych impulsów mikrosekundowych.
Rysunek 3 przedstawia morfologię dziury na poziomie mikro-. W przypadku szkła kwarcowego o grubości 1 mm obróbka-otworu przelotowego o średnicy około 3,1 µm i współczynniku głębokości-do-średnicy sięga zaledwie 20 mikrosekund. Widok z boku pokazuje, że kanał jest prosty i nie zwęża się, a jego gładkie ściany są wolne od zanieczyszczeń i mikropęknięć, co świadczy o niezwykle wysokiej jakości przetwarzania. Dostosowując szerokość impulsu lasera mikrosekundowego, można w pewnym stopniu regulować także średnicę otworu.
Rysunek 4 ukazuje uniwersalność i potencjał zastosowań przemysłowych tej technologii. Oprócz szkła kwarcowego metodę tę z powodzeniem zastosowano także w przypadku różnych powszechnie stosowanych materiałów przezroczystych, takich jak szkło borokrzemowe i szkło sodowo-wapniowe. Dzięki zamocowaniu lasera i zastosowaniu-szybkiej ruchomej platformy możliwe jest osiągnięcie-bardzo wysokiej wydajności 1000 otworów na sekundę, co pozwala na niezawodne wytwarzanie tysięcy jednolitych-układów otworów.
04 Podsumowanie
Badania przeprowadzone w tym artykule przyniosły innowację w dziedzinie obróbki laserowej poprzez technologię przejściowego wzbudzenia elektronicznego. Sprytnie oddzielając dwa fizyczne procesy „wzbudzania elektronów” i „usuwania materiału” oraz przypisując je do dwóch czasowo skoordynowanych impulsów laserowych o długości pikosekund i mikrosekund, pomyślnie przezwyciężono podstawowe problemy związane z małą prędkością i niskim zużyciem energii w tradycyjnym ultraszybkim przetwarzaniu laserowym, zwiększając wydajność wiercenia milion razy. Technologia ta nie tylko umożliwia ultra-szybką, wysoką-jakość i wysoki współczynnik kształtu poprzez-produkcję otworów w przezroczystych materiałach o grubości-milimetrowej, ale także demonstruje jej uniwersalność w przypadku różnych materiałów i ogromny potencjał w przypadku-produkcji na dużą skalę. Oczekuje się, że to przełom będzie miał ogromny wpływ na takie dziedziny, jak opakowania półprzewodników, zastosowania biomedyczne i-nowoczesne badania naukowe.
