Définition
Le laser ultrarapide est un type de laser à impulsions ultra-courtes et ultra-intense dont la largeur d'impulsion est inférieure ou égale au niveau pico2nd (10-12 s), qui est défini en fonction de la forme d'onde de sortie d'énergie. Cette définition est liée aux « phénomènes ultrarapides ». Le phénomène ultrarapide fait référence à un phénomène qui se produit dans un processus physique, chimique ou biologique qui évolue rapidement dans le système microscopique de la matière. Dans le système atomique et moléculaire, l'échelle de temps du mouvement des atomes et des molécules est de l'ordre de la picoseconde à la femtoseconde. Par exemple, la période de rotation moléculaire est de l'ordre de la picoseconde et la période de vibration est de l'ordre de la femtoseconde. Lorsque la largeur d'impulsion laser atteint le niveau pico2nd ou femtoseconde, elle peut largement éviter l'influence sur le mouvement thermique global des molécules (le mouvement thermique des molécules est l'essence microscopique de la température de la matière), et le matériau est généré à l'échelle de temps de la vibration moléculaire. Influence, de sorte que tout en atteignant l'objectif du traitement, l'effet thermique est considérablement réduit.
Types
Il existe de nombreuses méthodes de classification des lasers, parmi lesquelles les 4 méthodes de classification les plus couramment utilisées, notamment la classification par substance de travail, la classification par forme d'onde de sortie d'énergie (mode de fonctionnement), la classification par longueur d'onde de sortie (couleur) et la classification par puissance.
Parmi eux, selon la forme d'onde de sortie d'énergie, les lasers peuvent être divisés en lasers continus, lasers pulsés et lasers quasi continus :
Laser continu
Il s'agit d'un laser qui produit en continu des formes d'ondes d'énergie stables pendant les heures de travail. Il se caractérise par une puissance élevée et peut traiter des matériaux de grand volume et à point de fusion élevé, tels que des plaques métalliques.
Laser pulsé
Il produit de l'énergie sous forme d'impulsions. Selon la largeur d'impulsion, il peut être divisé en lasers milli2nd, lasers micro2nd, dispositifs d'arrêt nano2nd, lasers pico2nd, lasers femto2nd et lasers atto2nd ; par exemple, si un laser à impulsions La largeur d'impulsion du laser de sortie est comprise entre 1 et 1000 ns, ce que nous appelons lasers nano2nd, et ainsi de suite. Nous appelons lasers pico2nd, lasers femto2nd, lasers atto2nd et lasers ultrarapides. La puissance du laser pulsé est bien inférieure à celle du laser continu, mais la précision de traitement est supérieure à celle du laser continu, et en général, plus la largeur d'impulsion est étroite, plus la précision de traitement est élevée.
Laser quasi-CW
Il peut produire de manière répétée un laser à énergie relativement élevée sur une certaine période et, en théorie, il s'agit également d'un laser à impulsions.
Les formes d'onde de sortie d'énergie des 3 lasers ci-dessus peuvent également être décrites par le paramètre « rapport cyclique ». Pour un laser, le rapport cyclique peut être interprété comme le rapport entre le temps de sortie d'énergie laser et le temps total d'un cycle d'impulsion.
Cycle de service du laser CW (=1) > cycle de service du laser quasi-CW > cycle de service du laser pulsé. En général, plus la largeur d'impulsion du laser pulsé est étroite, plus le cycle de service est faible.
Dans le domaine du traitement des matériaux, les lasers pulsés étaient initialement un produit de transition des lasers continus. En effet, la puissance de sortie des lasers continus ne peut pas être très élevée en raison de l'influence de facteurs tels que la capacité portante des composants de base et le niveau technologique au stade initial, et le matériau ne peut pas être chauffé jusqu'au point de fusion. Ce qui précède atteint l'objectif du traitement. Si certains moyens techniques sont utilisés pour concentrer l'énergie de sortie du laser sur une seule impulsion, de sorte que bien que la puissance totale du laser ne change pas, la puissance instantanée au moment de l'impulsion est considérablement augmentée, ce qui satisfait aux exigences du traitement des matériaux. Plus tard, la technologie du laser continu a progressivement mûri et il a été constaté que le laser pulsé présente un grand avantage en termes de précision de traitement. En effet, l'effet thermique du laser pulsé sur les matériaux est plus faible, et plus la largeur d'impulsion laser est étroite, plus l'effet thermique est faible et plus le bord du matériau traité est lisse, plus la précision d'usinage correspondante est élevée.
Composants
Les lasers ultrarapides ont deux exigences fondamentales : une impulsion ultracourte à haute stabilité et une énergie d'impulsion élevée. En général, les impulsions ultracourtes peuvent être obtenues en utilisant la technologie de verrouillage de mode, et une énergie d'impulsion élevée peut être obtenue en utilisant la technologie d'amplification CPA. Les principaux composants impliqués comprennent les oscillateurs, les extenseurs, les amplificateurs et les compresseurs. Parmi eux, la technologie des oscillateurs et des amplificateurs est la plus difficile, et ils constituent également la technologie de base d'une entreprise de fabrication de lasers ultrarapides.
Oscillateur
Dans l'oscillateur, des impulsions laser ultrarapides sont obtenues à l'aide d'une technique de verrouillage de mode.
Tendeur
L'extenseur étire les impulsions de semences femto2nd dans le temps selon différentes longueurs d'onde.
Amplificateur
Un amplificateur à fréquence variable est utilisé pour dynamiser complètement cette impulsion étirée.
Compresseur
Le compresseur rassemble les spectres amplifiés de différents composants et les restitue à la largeur femto2nd, formant ainsi des impulsions laser femto2nd avec une puissance instantanée extrêmement élevée.
Applications
Comparé aux lasers nano2nd et milli2nd, bien que la puissance globale des lasers ultrarapides soit plus faible, car il agit directement sur l'échelle de temps des vibrations moléculaires du matériau, il réalise un « traitement à froid » au sens propre, de sorte que la précision du traitement est grandement améliorée.
En raison de caractéristiques différentes, les lasers continus de haute puissance, les lasers pulsés non ultrarapides et les lasers ultrarapides présentent de grandes différences dans les domaines d'application en aval :
Les lasers continus (et quasi-continus) de forte puissance sont utilisés pour la découpe, le frittage, soudage, revêtement de surface, perçage, 3D impression de matériaux métalliques.
Les lasers pulsés non ultrarapides sont utilisés pour le marquage de matériaux non métalliques, le traitement de matériaux en silicium, gravure de précision de surfaces métalliques, nettoyage de surfaces métalliques, soudage de précision des métaux, micro-usinage des métaux.
Les lasers ultrarapides sont utilisés pour la découpe et le soudage de matériaux transparents tels que le verre, le PET et le saphir ainsi que de matériaux durs et cassants, marquage de précision, chirurgie ophtalmique, passivation microscopique et gravure des matériaux.
Du point de vue de l'utilisation, les lasers CW de haute puissance et les lasers ultrarapides n'ont pratiquement aucune relation de substitution mutuelle. Ils sont comme des haches et des pinces, et leurs tailles ont leurs propres avantages et inconvénients. Les applications en aval des lasers pulsés non ultrarapides se chevauchent dans une certaine mesure avec les lasers continus et les lasers ultrarapides. D'après les résultats réels, dans la même application, sa puissance n'est pas aussi bonne que celle des lasers continus et sa précision n'est pas aussi bonne que celle des lasers ultrarapides. Le rapport coût-efficacité est le plus important.
En particulier, le laser ultraviolet nano2nd, bien que sa largeur d'impulsion n'atteigne pas le niveau pico2nd, mais la précision de traitement est grandement améliorée par rapport aux autres lasers nano2nd couleur, il a été largement utilisé dans le traitement et la fabrication de produits 3C. À l'avenir, à mesure que le coût des lasers ultrarapides diminue, il pourrait occuper le marché du nano2nd ultraviolet.
Les lasers ultrarapides réalisent un traitement à froid au sens propre du terme et présentent des avantages significatifs en matière de traitement de précision. À mesure que la technologie de production des lasers ultrarapides mûrit progressivement, le coût diminue progressivement. À l'avenir, il devrait être largement utilisé dans la biologie médicale, l'aérospatiale, l'électronique grand public, l'affichage d'éclairage, l'environnement énergétique, les machines de précision et d'autres industries en aval.
Cosmétologie médicale
Les lasers ultrarapides peuvent être utilisés dans les équipements de chirurgie oculaire médicale et les appareils cosmétiques. Le laser Femto2nd est utilisé dans la chirurgie de la myopie et est connu comme « une autre révolution dans la chirurgie réfractive » après la technologie d'aberration du front d'onde. L'axe oculaire des patients myopes est plus grand que l'axe oculaire normal, de sorte que dans l'état de relaxation du globe oculaire, le foyer des rayons lumineux parallèles après réfraction par le système réfractif de l'œil tombe devant la rétine. La chirurgie au laser Femto2nd peut éliminer l'excès de muscle dans la dimension axiale et rétablir la distance axiale à la normale. La chirurgie au laser Femto2nd présente les avantages d'une grande précision, d'une grande sécurité, d'une grande stabilité, d'un temps d'opération court et d'un grand confort, et est devenue l'une des méthodes de chirurgie de la myopie les plus courantes.
En termes de beauté, les lasers ultra-rapides peuvent être utilisés pour éliminer les pigments et les grains de beauté natifs, éliminer les tatouages et améliorer le vieillissement cutané.
Electronique
Les lasers ultrarapides conviennent au traitement de matériaux transparents durs et cassants, au traitement de films minces, au marquage de précision, etc. dans le processus de fabrication de l'électronique grand public. Le verre trempé et le saphir des téléphones portables sont des matériaux durs, cassants et transparents représentatifs des matières premières de l'électronique grand public, en particulier le saphir, en raison de sa dureté élevée et de sa grande fragilité, l'efficacité et le taux de rendement des méthodes d'usinage traditionnelles sont très faibles ; le saphir est désormais largement utilisé Il est largement utilisé dans les montres intelligentes, les coques d'appareil photo de téléphone portable, les coques de modules d'empreintes digitales, etc. Le laser ultraviolet nano2nd et le laser ultrarapide sont actuellement les principaux moyens techniques de découpe du saphir, et l'effet de traitement du laser ultrarapide est meilleur que celui du laser ultraviolet nano2nd. De plus, les méthodes de traitement utilisées par les modules de caméra et les modules d'empreintes digitales sont principalement les lasers nano2nd et pico2nd. Pour la découpe d'écrans de téléphones portables flexibles (écrans pliables) et les correspondants 3D Pour le perçage du verre, à l'avenir, la technologie dominante sera probablement les lasers ultrarapides.
Les lasers ultrarapides ont également des applications importantes dans la fabrication de panneaux. Les lasers ultrarapides peuvent être utilisés pour couper les polariseurs OLED, les décoller et les réparer lors de la fabrication des écrans LCD/OLED.
Pour les OLED, ses matériaux polymères sont particulièrement sensibles aux influences thermiques. De plus, la taille et l'espacement des cellules actuellement fabriquées sont très petits, et la taille de traitement restante est également très petite. Le processus de découpe traditionnel comme auparavant n'est plus adapté à l'heure actuelle. Les besoins de production de l'industrie, et il existe désormais des exigences d'application pour des écrans de forme spéciale et des écrans perforés, qui dépassent les capacités de l'artisanat traditionnel. De cette manière, les avantages des lasers ultrarapides se reflètent, en particulier les lasers ultraviolets pico2nd ou même femto2nd, qui ont une petite zone affectée par la chaleur et sont plus adaptés à des applications plus flexibles telles que le traitement des courbes.
Micro-soudure
Pour les supports solides transparents tels que le verre, divers phénomènes tels que l'absorption non linéaire, les dommages par fusion, la formation de plasma, l'ablation et la propagation de fibres se produisent lorsque le laser à impulsions ultracourtes se propage dans le support. La figure montre divers phénomènes qui se produisent dans l'interaction entre le laser à impulsions ultracourtes et le matériau solide sous différentes densités de puissance et échelles de temps.
La technologie de microsoudage laser à impulsions ultracourtes ne nécessite pas d'insertion de couche intermédiaire, présente un rendement élevé, une grande précision, aucun effet thermique macroscopique et des propriétés mécaniques et optiques relativement idéales après le traitement de microsoudage. Elle est donc très adaptée au microsoudage de matériaux transparents tels que le verre. Par exemple, les chercheurs ont réussi à souder des embouts à des fibres optiques standard et microstructurées en utilisant des impulsions de 70 fs et 250 kHz.
Éclairage d'affichage
L'utilisation de lasers ultrarapides dans le domaine de l'éclairage d'affichage concerne principalement le traçage et la découpe de plaquettes de LED. Il s'agit là d'un autre exemple de lasers ultrarapides adaptés au traitement de matériaux durs et cassants. Le traitement au laser ultrarapide présente une planéité de section élevée et un écaillage des bords considérablement réduit. L'efficacité et la précision sont grandement améliorées.
Énergie photovoltaïque
Les lasers ultrarapides ont un large champ d'application dans la fabrication de cellules photovoltaïques. Par exemple, dans la fabrication de batteries à couches minces CIGS, les lasers ultrarapides peuvent remplacer le processus de traçage mécanique d'origine et améliorer considérablement la qualité du traçage, en particulier pour les liaisons de traçage P2 et P3, qui peuvent atteindre une quasi-absence d'écaillage et d'absence de fissures et de contraintes résiduelles.
Industrie aerospatiale
Afin d'améliorer les performances et la durée de vie des aubes de turbine, puis d'améliorer les performances du moteur, il est nécessaire d'adopter la technologie de refroidissement par film d'air, qui impose des exigences extrêmement élevées pour la technologie de traitement des trous de film d'air. En 2018, l'Institut d'optique et de mécanique de Xi'an a développé l'énergie d'impulsion unique la plus élevée de Chine. Le laser à fibre femto26nd de qualité industrielle de 2 watts et le développement d'une série d'équipements de fabrication laser extrêmes ultra-rapides ont réalisé une percée dans le « traitement à froid » des trous de film d'air dans les aubes de turbine de moteur d'avion, comblant ainsi le vide national. Cette méthode de traitement est plus avancée que l'EDM. La précision de la méthode est plus élevée et le taux de rendement est considérablement amélioré.
Les lasers ultrarapides peuvent également être appliqués à l'usinage de précision de matériaux composites renforcés de fibres, et l'amélioration de la précision d'usinage contribuera à étendre l'application de matériaux composites tels que la fibre de carbone dans l'aérospatiale et d'autres domaines haut de gamme.
Domaine de recherche
La technologie de polymérisation à 2 photons (2PP) est une technologie « nano-optique » 3D méthode d'impression, similaire à la technologie de prototypage rapide à photopolymérisation, et le futurologue Christopher Barnatt pense que cette technologie pourrait devenir une forme courante de 3D L'impression à l'avenir. Le principe de la technologie de polymérisation à 2 photons consiste à durcir sélectivement la résine photosensible en utilisant un « laser à impulsion femto2nd ». Cela ressemble à un prototypage rapide par photopolymérisation, la différence est que l'épaisseur de couche minimale et la résolution de l'axe XY que la technologie de polymérisation à 2 photons peut atteindre sont comprises entre 100 nm et 200 nm. En d'autres termes, 2PP 3D La technologie d'impression est des centaines de fois plus précise que la technologie de moulage par photopolymérisation traditionnelle, et les objets imprimés sont plus petits que des bactéries.
À l’heure actuelle, le prix des lasers ultrarapides est encore relativement élevé. En tant que pionnier de l’industrie, STYLECNC produit déjà des équipements de traitement laser ultra-rapides et a obtenu de bons retours sur le marché. Des équipements de découpe laser de précision pour modules OLED basés sur la technologie laser ultra-rapide, des équipements de marquage laser ultra-rapides (picoseconde/femtoseconde), des équipements de traitement laser de chanfreinage du verre pour écrans d'affichage infrarouge pico2nd et des plaquettes de verre infrarouge pico2nd ont été lancés. Équipement de découpe laser, machine de découpage en dés invisible automatique à LED, plaquette de semi-conducteur Machine de découpe au laser, équipements de découpe de couvercles en verre pour modules d'identification d'empreintes digitales, lignes de production de masse d'affichage flexibles et une série de produits laser ultra-rapides.
Avantages et inconvénients
Avantages
Le laser ultrarapide est l'une des principales orientations de développement dans le domaine du laser. En tant que technologie émergente, il présente des avantages significatifs dans le micro-usinage de précision. L'impulsion ultracourte générée par le laser ultrarapide interagit avec le matériau pendant une très courte durée et n'apporte pas de chaleur aux matériaux environnants, de sorte que le traitement laser ultrarapide est également appelé traitement à froid. En effet, lorsque la largeur d'impulsion laser atteint le niveau pico2nd ou femto2nd, l'influence sur le mouvement thermique moléculaire peut être évitée dans une large mesure, ce qui réduit l'influence thermique.
Par exemple, lorsque nous coupons des œufs en conserve avec un couteau de cuisine émoussé, nous les coupons souvent en petits morceaux. Si vous choisissez une méthode de coupe avec un tranchant de couteau particulièrement tranchant qui coupe rapidement les saletés, les œufs en conserve seront coupés de manière uniforme et magnifique. C'est l'avantage d'être super rapide.
Inconvénients
Les industries de fabrication haut de gamme telles que les circuits intégrés et les panneaux ont des exigences extrêmement élevées en matière d'équipements de traitement laser, et il existe un risque que les percées technologiques ne répondent pas aux attentes.
Le prix des lasers ultra-rapides est élevé et le passage à un nouveau fournisseur de laser comporte le risque de ne pas pouvoir élargir le marché comme prévu, tant pour les fabricants d’équipements laser que pour les utilisateurs les plus en aval.
