Laser dianggap sebagai salah satu penemuan terbesar pada abad ke- 20. Dengan berakhirnya tiga revolusi industri, laser akan menjadi kunci untuk memimpin revolusi industri keempat. Kemunculan laser telah banyak mendorong perkembangan industri. Laser telah menjadi alat yang paling maju dan banyak digunakan dalam pemesinan kerana kelebihannya seperti daya tinggi, fokus mudah, kecerahan tinggi, dan pengarahan yang baik. Pemprosesan laser mempunyai kelebihan ketepatan tinggi, kelajuan tinggi, dan kos rendah. Ia dapat dikawal secara automatik dengan pengaturcaraan komputer. Ia dapat memproses struktur dengan bentuk yang kompleks. Kerana ia adalah pemprosesan tanpa sentuhan, ia tidak akan merosakkan bahan dan selamat dan boleh dipercayai.
Klasifikasi dan ciri pemprosesan laser
Menurut mekanisme interaksi antara laser dan jirim, pemprosesan laser dapat dibahagikan kepada dua kategori: pemprosesan terma laser dan pemprosesan bukan termal. Jenis laser yang digunakan dalam pemprosesan terma dan pemprosesan bukan termal adalah berbeza. Laser denyut panjang atau laser berterusan biasanya digunakan dalam pemprosesan terma, dan laser denyut ultrashort seperti picosecond dan femtosecond biasanya digunakan dalam pemprosesan bukan termal.
Pemprosesan haba laser menggunakan kesan haba yang dihasilkan dalam proses penyinaran laser bahan. Sistem molekul bahan yang disinari perlu sentiasa mendapatkan tenaga dari penyinaran laser dan mengubahnya menjadi tenaga dalamannya sendiri. Suhu kawasan yang disinari meningkat tajam untuk mencapai titik lebur dan takat didih bahan, lebur dan penyingkiran, dan mencapai tujuan pemprosesan. Kerana tenaga laser memerlukan masa yang lama untuk ditukarkan menjadi tenaga dalaman sistem molekul, laser denyut panjang sering digunakan dalam pemprosesan terma. Kaedah pemprosesan ini mudah dan langsung dan telah digunakan secara meluas dalam pembuatan industri, seperti pemotongan laser, pembuatan aditif laser, dan lain-lain. Namun, kerana penyebaran terma yang tidak dapat dielakkan dalam pemprosesan, ketepatan dan kekasaran pemprosesan termal laser adalah terhad.
Pemprosesan bukan haba adalah dengan menggunakan kesan tidak linear (seperti pengionan tidak linear, penyerakan permukaan, dan lain-lain) yang disebabkan oleh gangguan sistem elektronik bahan, melalui peralihan dan pengionan foton penyerapan elektron, sifat fizikal dan kimia bahan didorong untuk berubah, sehingga membawa kepada penghasilan beberapa kesan baru (seperti pempolimeran dua-foton, pemasangan sendiri laser, dan lain-lain), menggunakan kesan baru ini untuk mencapai peningkatan Tujuan ketepatan dan pengoptimuman pemesinan. Kerana pertukaran tenaga antara sistem elektron dan laser dapat diselesaikan dalam sekelip mata, pemprosesan bukan termal biasanya menggunakan laser denyut ultrashort. Kaedah ini mempunyai ketepatan yang tinggi dan pelbagai kaedah pemprosesan, yang merupakan salah satu kawasan penyelidikan dalam bidang pemprosesan laser.
Kelebihan dan kekurangan pemprosesan laser femtosecond tradisional
Kekuatan puncak yang sangat tinggi dan jangka masa nadi yang sangat pendek adalah dua kelebihan utama laser femtosecond. Kekuatan puncak yang sangat tinggi cukup untuk menimbulkan pelbagai kesan tidak linear, yang memperkaya kaedah pemprosesan laser. Ciri-ciri masa yang sangat pantas juga menjadikan proses interaksi antara laser femtosecond dan bahan sangat singkat. Tenaga cahaya yang diserap oleh kawasan penyinaran laser bahkan tidak dapat dipindahkan ke kawasan lain, untuk memastikan bahawa tenaga laser dapat disimpan dengan tepat dalam julat penyinaran dan mewujudkan pemprosesan ultra halus.
Pada masa ini, laser femtosecond telah banyak digunakan dalam bidang pemprosesan mikro dan nano, terutamanya termasuk penulisan langsung laser dan topeng laser. Namun, kerana had difraksi sistem pemesinan, mustahil untuk mengurangkan kawasan penyinaran laser tanpa batasan, yang membatasi peningkatan ketepatan pemesinan selanjutnya. Pada masa yang sama, kerana ciri-ciri nonlinier bahan yang berbeza, pemprosesan laser femtosecond mempunyai pergantungan yang kuat terhadap bahan. Kaedah pemprosesan yang sama sering menunjukkan kesan pemprosesan yang berbeza untuk bahan yang berbeza.
Kelebihan pemprosesan laser ultraviolet femtosecond
Dengan perkembangan industri moden, keperluan ketepatan pemesinan semakin meningkat, dan salah satu faktor utama yang mempengaruhi ketepatan pemesinan laser adalah had difraksi sistem pemesinan. Had difraksi adalah parameter fizikal yang menggambarkan ketepatan pengimejan atau pemprosesan sistem optik. Semakin kecil had difraksi, semakin tinggi ketepatan pemprosesannya. Secara amnya, had difraksi berkadar langsung dengan panjang gelombang cahaya yang terjadi, jadi mengurangkan panjang gelombang laser menjadi kaedah paling langsung dan berkesan untuk meningkatkan had difraksi. Sebagai contoh, teknologi litografi UV yang banyak digunakan dalam industri semasa adalah untuk meningkatkan ketepatan pemprosesan dengan mengurangkan panjang gelombang laser.
Laser UV merujuk kepada laser yang panjang gelombang kurang dari 380 nm. Berbanding dengan panjang gelombang yang biasa digunakan oleh laser femtosecond (terutamanya pada jalur cahaya yang dapat dilihat, 380 nm-760nm), ketepatan pemprosesan laser UV femtosecond lebih tinggi. Pada masa yang sama, kerana panjang gelombang laser ultraviolet femtosecond yang pendek dan tenaga besar satu foton, foton secara langsung dapat memotong ikatan molekul atau atom yang mengikat, yang pada dasarnya merupakan reaksi fotokimia, pada dasarnya tanpa fenomena lebur, sehingga mengehadkan pengaruh kesan haba. Sebaliknya, jalur UV adalah jalur sensitif bagi banyak polimer, seperti fotoresis. Polimer ini akan menghasilkan kesan pempolimeran dua foton di bawah penyinaran laser ultraviolet femtosecond, yang menjadikan koloid yang mengalir berpolimerisasi menjadi pepejal dengan kekuatan mekanikal yang tinggi. Setelah diproses, alat fotoresis akan dihanyutkan, dan struktur yang diinginkan dapat diperoleh. Dengan menggunakan prinsip ini, pemprosesan struktur D yang sangat halus dapat dilakukan.
Ciri dan kelebihan pemesinan femtosecond dalam bidang vektor dan pusaran
Pemprosesan laser femtosecond tradisional terutamanya menumpukan pada ciri-ciri tenaga laser. Kesan tidak linear bahan disebabkan oleh tenaga ultra tinggi bidang laser femtosecond, untuk mencapai tujuan pemprosesan. Dalam proses interaksi antara cahaya dan jirim, tidak hanya penyerapan tenaga tetapi juga pertukaran momentum, yang bermaksud bahawa mod laser baru dapat memberikan kelebihan sepenuhnya kepada kelebihannya dalam bidang pemprosesan femtosecond.
Medan Vektor dan medan pusaran adalah dua mod laser baru yang paling tipikal. Ciri-ciri topologi spatial polarisasi dan fasa menjadikan ladang mempunyai beberapa sifat fizikal khas. Sebagai contoh, medan vektor dapat menyatu ke titik fokus melebihi had difraksi, yang ukurannya lebih kecil, sehingga ketepatan pemesinan lebih tinggi. Sebaliknya, momentum sudut foton yang dibawa oleh medan itu sendiri dapat bertukar momentum dengan perkara tersebut. Sebagai contoh, medan cahaya pusaran dengan struktur fasa spiral membawa momentum sudut orbit foton, yang mendorong zarah berputar di sekitar paksi tetap; cahaya terpolarisasi kiri atau kanan berputar membawa momentum sudut putaran foton, yang boleh mendorong zarah berputar; medan cahaya vektor yang keadaan polarisasi berubah dengan kedudukan spatial dapat menunjukkan interaksi antara momentum sudut. Dengan cara yang sama, ciri momentum medan vektor dan vorteks juga dapat digunakan dalam pemprosesan laser femtosecond, seperti penggunaan medan pusaran untuk mendorong struktur kiral, penggunaan medan vektor untuk mendorong corak kompleks dan sebagainya.
Berbanding dengan pemprosesan laser femtosecond tradisional, pemprosesan laser vektor dan vorteks femtosecond yang dihasilkan oleh sistem laser ultraviolet berkuasa tinggi dengan ciri-ciri ruang-masa yang dapat dikawal menjadikan struktur pemprosesan dipelbagaikan dan rumit. Dengan merancang taburan fasa dan polarisasi medan cahaya, kita dapat memperoleh pelbagai corak permukaan dan bahkan topologi tiga dimensi yang kompleks. Menggunakan teknologi pembentukan nadi laser femtosecond yang digabungkan dengan teknologi modulasi cahaya ruang-waktu dan teknologi fokus ruang-waktu untuk memodulasi denyut laser ultrafast dalam domain masa dan frekuensi, dan mewujudkan pemprosesan mikro-nano tiga dimensi dan aplikasi praktikal dalam bahan yang berbeza . Teknologi ini diharapkan dapat memainkan peranan penting dalam optik bersepadu dan mikro nano-optik baru.
Kelebihan dan potensi aplikasi medan cahaya ultraviolet, vektor, dan vorteks femtosecond
Dengan perkembangan industri yang berterusan, teknologi pemprosesan laser femtosecond tradisional tidak dapat memenuhi permintaan industri yang semakin meningkat, jadi ia mesti dikembangkan dan dioptimumkan. Teknologi pemprosesan laser UV femtosecond adalah kaedah yang berkesan untuk meningkatkan ketepatan pemprosesan dan mempunyai nilai aplikasi yang besar dalam pembuatan industri. Teknologi pemprosesan laser femtosecond vektor dan medan pusaran telah mengubah mod pemprosesan tunggal tradisional, menjadikan pemprosesan laser lebih fleksibel dan pelbagai. Di samping itu, teknologi pemprosesan laser vektor dan vorteks femtosecond UV juga merupakan amalan dan pengesahan teori interaksi antara cahaya dan jirim, yang berguna untuk mendedahkan mekanisme fizikal yang lebih mendalam dan mempunyai kepentingan saintifik yang positif.