Поскольку современные промышленные требования к точности обработки материалов, качеству поверхности и контролю теплового воздействия становятся все более жесткими, традиционная механическая обработка и длинные импульсные лазерные технологии не могут удовлетворить потребности в области производства. В этом контексте возникла платформа ультрабыстрой лазерной обработки (Ultrafast Laser Processing Platform), которая благодаря своей ширине очень коротких импульсов, пиковой мощности и характеристикам обработки почти « нулевого теплового воздействия» в фемтосекундах (fs) до пикосекунд (ps), стала революционным инструментом в области микронанопроизводства, прецизионных медицинских устройств, полупроводников, аэрокосмической промышленности и новых функциональных процессов материалов.

I. Технический принцип: переход от "термической абляции" к "холодной обработке"

Сверхбыстрый лазер обычно относится к лазеру с длительностью импульса от 10 ⁻с (фемсекунда) до 10 ⁻с (пикосекунда). Основное преимущество заключается в том, что очень короткое время действия намного меньше, чем время передачи энергии между электронами и решетками в материале (обычно в пикосекундных размерах). Когда сверхбыстрый лазер облучает поверхность материала, фотонная энергия поглощается электронной системой за очень короткий промежуток времени, так что электроны быстро достигают высокотемпературного состояния, а решетка все еще реагирует в будущем. Затем высокоэнергетические электроны выбрасывают вещество путем кулоновского взрыва или прямого испарения для удаления материала.

Этот процесс, известный как « нетермическая плавкая» обработка или « холодная обработка», по своей сути напрямую разрушает химические связи материала с помощью нелинейных эффектов, таких как многофотонная ионизация и лавинная ионизация, а не традиционная термопроводящая плавка. Таким образом, зона обработки практически не создает зоны теплового воздействия (HAZ), избегая таких проблем, как расплавленные края, трещины, остаточные напряжения и дегенерация материала, особенно для материалов, требующих хрупкости, термочувствительности или высокой точности.

II. Состав системы: прецизионная инженерная платформа для междисциплинарной интеграции

Полная платформа сверхбыстрой лазерной обработки представляет собой сложную систему, объединяющую оптику, механику, управление, программное обеспечение и автоматизацию, состоящую в основном из следующих компонентов:

Сверхбыстрый лазерный источник: ядро - фемтосекундный или пикосекундный волоконный лазер, твердотельный лазер (например, Yb: KGW, Ti: sapphire). Длина волны, как правило, инфракрасная (1030 нм), зеленая (515 нм) или ультрафиолетовая (343 нм), которая может быть выбрана в соответствии с характеристиками поглощения материала. Средняя мощность варьируется от нескольких ватт до сотен ватт, частота повторения может быть отрегулирована.

2.Система передачи и регулирования луча: включает в себя зеркала, расширяющие зеркала, поляризационные контроллеры и т. Д. Для обеспечения стабильной передачи лазера. Высокоскоростная система сканирования с виброзеркалом (Galvanometer Scanner) обеспечивает точное управление движением фокуса лазера в плоскости X - Y за миллисекунды и обеспечивает высокоскоростную обработку сложной графики.

Платформа фокусировки и движения: использование F - тета - линз для фокусировки лазера до микронного или даже субмикронного уровня. Для трехмерной обработки, оснащенной высокоточным электрическим Z - осным или пятиосным сцепным рабочим столом, для достижения динамической регулировки фокальной плоскости и сложной обработки поверхности.

Система визуального позиционирования и мониторинга: интегрированная камера CCD или система микровизуализации для контрастности деталей, мониторинга процесса обработки в режиме реального времени и контроля качества, повышения точности обработки и уровня автоматизации.

5. Системы управления и программное обеспечение: программное обеспечение управления на основе ПК или встроенной системы, поддерживающее графический импорт CAD, планирование пути, настройку технологических параметров (мощность, скорость, частота импульсов, политика сканирования) и пакетную обработку, с дружественным интерфейсом взаимодействия человека и машины.

6. Вспомогательные системы: включают пылеуловительные устройства, системы охлаждения, газовую защиту (например, азот, аргон) от окисления, а также закрытые защитные экраны, соответствующие стандартам безопасности класса 1.

III. Технические преимущества и области применения

Сверхвысокая точность: может быть достигнуто разрешение обработки на уровне микрон или даже нано, подходит для точного изготовления микроотверстий, микроканавок и микроструктур.

Широкая материальная адаптивность: практически все твердые материалы, такие как обработанные металлы, керамика, стекло, полимеры, композиты, сапфиры, алмазы и т.д., особенно хорошо справляются с твердыми и хрупкими материалами, которые трудно обрабатывать традиционными методами.

3. Отсутствие теплового повреждения: Применяется в биомедицинских устройствах (таких как стенты сердца, искусственные кристаллы), гибких электронах, фотоэлектрических элементах и других термочувствительных применениях.

4. Высокая гибкость: без формы, с помощью программного обеспечения можно быстро переключить рисунок обработки, подходит для мелкосерийного, многосортного производства.

Типичный сценарий применения:

- Прецизионные медицинские приборы: резка сердечно - сосудистых стентов, микрообработка офтальмологических ножей, микропроцессорное производство микросхем.

- Потребительская электроника: нарезка сапфировой крышки камеры смартфона, снятие OLED - экрана, сверление шаблонов распознавания отпечатков пальцев.

- Полупроводники и фотоэлектроны: кристаллические круглые гребенки, обработка сквозных отверстий кремния (TSV), литография с помощью световых волноводов.

- Новые источники энергии: полярная резка ушей литиевых батарей, перфорация диафрагмы, прорезка фотоэлектрических батарей PERC.

- Аэрокосмическая промышленность: обработка отверстий в газовой пленке лопастей турбины, изготовление микроконструкций для скрытого покрытия.

- На переднем крае научных исследований: подготовка новых функциональных структур, таких как сверхгидрофобные поверхности, фотонные кристаллы, микронанороботы и т.д.

IV. ПРОБЛЕМЫ И ТЕНДЕНЦИИ В ОБЛАСТИ РАЗВИТИЯ

Несмотря на значительные преимущества сверхбыстрой лазерной технологии, она по - прежнему сталкивается с такими проблемами, как высокая стоимость и относительно низкая эффективность обработки (особенно крупномасштабная обработка). Будущие тенденции включают:

- Более высокая мощность и более высокая скорость: увеличение средней мощности и скорости сканирования, повышение эффективности производства.

Интеллектуальное и адаптивное управление: оптимизация процесса и обратная связь качества в реальном времени в сочетании с алгоритмами ИИ.

- Многолучевая параллельная обработка: многоточечная синхронная обработка с помощью технологии разделения лучей значительно повышает производительность.

- Зеленое производство: снижение энергопотребления, сокращение отходов, продвижение устойчивого развития.

Сверхбыстрая платформа лазерной обработки является не только представителем передовых производственных технологий, но и основным двигателем для продвижения микронанотехнологий, интеллектуального производства и промышленной модернизации. По мере снижения стоимости лазеров и повышения интеграции систем сверхбыстрые лазерные технологии переходят от лаборатории к крупномасштабным промышленным приложениям, открывая новую эру точного производства « то, что вы видите, то получает», освещая микромир будущей промышленности.