ما هو الليزر فائق السرعة؟

تعريف

الليزر فائق السرعة هو نوع من الليزر النبضي فائق الكثافة وقصيرة للغاية بعرض نبضة أقل من أو ضمن مستوى بيكو2 (10-12 ثانية)، والذي يتم تعريفه بناءً على شكل موجة خرج الطاقة. يرتبط هذا التعريف بـ "ظاهرة فائقة السرعة". تشير ظاهرة فائقة السرعة إلى ظاهرة تحدث في عملية فيزيائية أو كيميائية أو بيولوجية تتغير بسرعة في النظام المجهري للمادة. في النظام الذري والجزيئي، يكون المقياس الزمني لحركة الذرات والجزيئات في حدود بيكو ثانية إلى فيمتوثانية. على سبيل المثال، تكون فترة الدوران الجزيئي في حدود بيكو ثانية، وتكون فترة الاهتزاز في حدود فيمتوثانية. عندما يصل عرض نبضة الليزر إلى مستوى بيكو ثانية أو فيمتوثانية، فإنه يمكن تجنب التأثير على الحركة الحرارية الكلية للجزيئات إلى حد كبير (الحركة الحرارية للجزيئات هي الجوهر المجهري لدرجة حرارة المادة)، ويتم إنشاء المادة على المقياس الزمني للاهتزاز الجزيئي. التأثير، بحيث يتم تقليل التأثير الحراري بشكل كبير أثناء تحقيق غرض المعالجة.

الأنواع

هناك العديد من طرق تصنيف الليزر، من بينها 4 طرق تصنيف الأكثر استخدامًا، بما في ذلك التصنيف حسب مادة العمل، والتصنيف حسب شكل موجة خرج الطاقة (وضع العمل)، والتصنيف حسب طول موجة الخرج (اللون)، والتصنيف حسب الطاقة.

ومن بينها، وفقًا لشكل موجة خرج الطاقة، يمكن تقسيم الليزر إلى ليزر مستمر، وليزر نبضي، وليزر شبه مستمر:

الليزر المستمر

إنه ليزر يصدر موجات طاقة مستقرة بشكل مستمر أثناء ساعات العمل، ويتميز بالقدرة العالية ويمكنه معالجة المواد ذات الحجم الكبير ونقطة الانصهار العالية، مثل الألواح المعدنية.

الليزر النبضي

إنه يخرج الطاقة في شكل نبضات. وفقًا لعرض النبضة، يمكن تقسيمها إلى ليزر ميلي 2، ليزر ميكرو 2، أجهزة إيقاف نانو 2، ليزر بيكو 2، ليزر فيمتو 2، ليزر أتو 2؛ على سبيل المثال، إذا كان ليزر نبضي عرض نبضة الليزر الناتج بين 1-1000ns، والذي نسميه ليزر نانو 2، وما إلى ذلك. نطلق عليه ليزر بيكو 2، ليزر فيمتو 2، ليزر أتو 2، ليزر فائق السرعة. قوة الليزر النبضي أقل بكثير من قوة الليزر المستمر، ولكن دقة المعالجة أعلى من قوة الليزر المستمر، وبشكل عام، كلما كان عرض النبضة أضيق، زادت دقة المعالجة.

ليزر شبه CW

يمكنه إخراج ليزر عالي الطاقة نسبيًا بشكل متكرر خلال فترة معينة، كما أنه ليزر نبضي من الناحية النظرية.

يمكن أيضًا وصف أشكال موجات خرج الطاقة لليزرات الثلاثة المذكورة أعلاه من خلال معامل "دورة العمل". بالنسبة لليزر، يمكن تفسير دورة العمل على أنها نسبة وقت خرج طاقة الليزر بالنسبة إلى الوقت الإجمالي داخل دورة النبضة.

دورة عمل ليزر CW (=1) > دورة عمل ليزر CW شبه > دورة عمل ليزر نبضي. بشكل عام، كلما كان عرض نبضة الليزر النبضي أضيق، كلما كانت دورة العمل أقل.

في مجال معالجة المواد، كانت الليزرات النبضية في البداية منتجًا انتقاليًا لليزرات المستمرة. وذلك لأن طاقة خرج الليزرات المستمرة لا يمكن أن تكون عالية جدًا بسبب تأثير عوامل مثل قدرة تحمل المكونات الأساسية ومستوى التكنولوجيا في المرحلة المبكرة، ولا يمكن تسخين المادة إلى نقطة الانصهار. ما سبق يحقق الغرض من المعالجة. إذا تم استخدام وسائل تقنية معينة لتركيز طاقة خرج الليزر على نبضة واحدة، بحيث على الرغم من عدم تغير الطاقة الكلية لليزر، إلا أن الطاقة اللحظية في وقت النبضة تزداد بشكل كبير، مما يلبي متطلبات معالجة المواد. في وقت لاحق، نضجت تقنية الليزر المستمر تدريجيًا، ووجد أن الليزر النبضي يتمتع بميزة كبيرة في دقة المعالجة. وذلك لأن التأثير الحراري لليزر النبضي على المواد أصغر، وكلما كان عرض نبضة الليزر أضيق، كان التأثير الحراري أصغر، وكانت حافة المادة المعالجة أكثر سلاسة، كانت دقة التصنيع المقابلة أعلى.

مكونات

هناك متطلبان أساسيان لليزر فائق السرعة: نبضات فائقة السرعة عالية الاستقرار ونبضات عالية الطاقة. بشكل عام، يمكن الحصول على نبضات فائقة السرعة باستخدام تقنية قفل الوضع، ويمكن الحصول على طاقة نبضات عالية باستخدام تقنية تضخيم CPA. تتضمن المكونات الأساسية المعنية المذبذبات والموسعات والمضخمات والضواغط. من بينها، تعد تقنية المذبذب والمضخم الأكثر صعوبة، وهي أيضًا التقنية الأساسية لشركة تصنيع ليزر فائق السرعة.

مذبذب

في المذبذب، يتم الحصول على نبضات ليزر فائقة السرعة باستخدام تقنية قفل الوضع.

نقالة

يقوم النقال بتمديد نبضات بذرة الفمتو 2 بشكل متباعد في الوقت بأطوال موجية مختلفة.

مكبر الصوت

يتم استخدام مكبر صوت متردد لتنشيط هذه النبضة الممتدة بالكامل.

ضاغط

يقوم الضاغط بتجميع الأطياف المكبرة للمكونات المختلفة ويعيدها إلى عرض الفمتو2، وبالتالي تشكيل نبضات ليزر الفمتو2 ذات قوة لحظية عالية للغاية.

الاستخدامات

بالمقارنة مع الليزر النانوي 2 والميلي 2، على الرغم من أن القوة الإجمالية لليزر فائق السرعة أقل، لأنه يعمل بشكل مباشر على المقياس الزمني للاهتزازات الجزيئية للمواد، فإنه يحقق "المعالجة الباردة" بالمعنى الحقيقي، وبالتالي يتم تحسين دقة المعالجة بشكل كبير.

بسبب الخصائص المختلفة، فإن أشعة الليزر المستمرة عالية الطاقة، وأشعة الليزر النبضية غير فائقة السرعة، وأشعة الليزر فائقة السرعة لها اختلافات كبيرة في مجالات التطبيق اللاحقة:

تُستخدم أشعة الليزر المستمرة عالية الطاقة (وأشعة الليزر شبه المستمرة) في القطع والتلبيد ، لحام، كسوة السطح، الحفر، 3D طباعة المواد المعدنية.

تُستخدم أشعة الليزر النبضية غير فائقة السرعة لتمييز المواد غير المعدنية، ومعالجة مواد السيليكون، نقش دقيق من الأسطح المعدنية، تنظيف الأسطح المعدنية، اللحام الدقيق للمعادن، المعالجة الدقيقة للمعادن.

تُستخدم أشعة الليزر فائقة السرعة لقطع ولحام المواد الشفافة مثل الزجاج والبولي إيثيلين تيرفثاليت والياقوت والمواد الصلبة والهشة، وسم دقيق، جراحة العيون، التخميد المجهري ونقش المواد.

من وجهة نظر الاستخدام، لا توجد علاقة استبدال متبادلة تقريبًا بين الليزر CW عالي الطاقة والليزر فائق السرعة. فهي مثل الفؤوس والملاقط، وأحجامها لها مزاياها وعيوبها الخاصة. تتداخل التطبيقات اللاحقة لليزر النبضي غير فائق السرعة مع الليزر المستمر والليزر فائق السرعة. من النتائج الفعلية، في نفس التطبيق، لا تكون قوتها جيدة مثل الليزر المستمر، ودقتها ليست جيدة مثل الليزر فائق السرعة. والأكثر بروزًا هو أداء التكلفة.

على وجه الخصوص، على الرغم من أن عرض نبضة ليزر النانو2nd فوق البنفسجية لا يصل إلى مستوى pico2nd، إلا أن دقة المعالجة تحسنت بشكل كبير مقارنة بأجهزة الليزر الملونة الأخرى nano2nd، وقد تم استخدامه على نطاق واسع في معالجة وتصنيع منتجات 3C. في المستقبل، مع انخفاض تكلفة الليزر فائق السرعة، قد يشغل سوق الأشعة فوق البنفسجية nano2nd.

تحقق أشعة الليزر فائقة السرعة المعالجة الباردة بالمعنى الحقيقي وتتمتع بمزايا كبيرة في المعالجة الدقيقة. ومع نضج تكنولوجيا إنتاج أشعة الليزر فائقة السرعة تدريجيًا، تنخفض التكلفة تدريجيًا. ومن المتوقع في المستقبل أن يتم استخدامها على نطاق واسع في علم الأحياء الطبي، والفضاء الجوي، والإلكترونيات الاستهلاكية، وشاشات الإضاءة، والبيئة الطاقية، والآلات الدقيقة وغيرها من الصناعات اللاحقة.

مستحضرات التجميل الطبية

يمكن استخدام الليزر فائق السرعة في معدات جراحة العيون الطبية والأجهزة التجميلية. يستخدم ليزر Femto2nd في جراحة قصر النظر ويعرف باسم "ثورة أخرى في جراحة الانكسار" بعد تقنية انحراف الموجة الأمامية. يكون محور عين مرضى قصر النظر أكبر من محور العين الطبيعي، بحيث في حالة استرخاء مقلة العين، يقع تركيز أشعة الضوء الموازية بعد الانكسار بواسطة نظام الانكسار بالعين أمام الشبكية. يمكن لجراحة ليزر Femto2nd إزالة العضلات الزائدة في البعد المحوري واستعادة المسافة المحورية إلى وضعها الطبيعي. تتمتع جراحة ليزر Femto2nd بمزايا الدقة العالية والسلامة العالية والاستقرار العالي ووقت التشغيل القصير والراحة العالية، وأصبحت واحدة من أكثر طرق جراحة قصر النظر شيوعًا.

فيما يتعلق بالجمال ، يمكن استخدام الليزر فائق السرعة لإزالة الصباغ والشامات الأصلية ، وإزالة الوشم ، وتحسين شيخوخة الجلد.

الأجهزة الإلكترونية

الليزر فائق السرعة مناسب لمعالجة المواد الشفافة الصلبة والهشة، ومعالجة الأغشية الرقيقة، ووضع العلامات الدقيقة، وما إلى ذلك في عملية تصنيع الإلكترونيات الاستهلاكية. الزجاج المقسّى والياقوت للهواتف المحمولة يمثلان مواد صلبة وهشة وشفافة في المواد الخام للإلكترونيات الاستهلاكية، وخاصة الياقوت، نظرًا لصلابته العالية وهشاشته العالية، فإن كفاءة ومعدل إنتاج طرق التصنيع التقليدية منخفضان للغاية؛ يستخدم الياقوت الآن على نطاق واسع ويستخدم على نطاق واسع في الساعات الذكية وأغطية كاميرات الهواتف المحمولة وأغطية وحدات بصمات الأصابع وما إلى ذلك؛ يعد الليزر فوق البنفسجي nano2nd والليزر فائق السرعة الوسيلة التقنية الرئيسية لقطع الياقوت في الوقت الحاضر، وتأثير معالجة الليزر فائق السرعة أفضل من تأثير الليزر فوق البنفسجي nano2nd. بالإضافة إلى ذلك، فإن طرق المعالجة المستخدمة من قبل وحدات الكاميرا ووحدات بصمات الأصابع هي في الأساس ليزر nano2nd وpico2nd. لقطع شاشات الهواتف المحمولة المرنة (الشاشات القابلة للطي) والشاشات المقابلة 3D في المستقبل، من المرجح أن تكون التكنولوجيا السائدة في مجال حفر الزجاج هي الليزر فائق السرعة.

كما أن لأشعة الليزر فائقة السرعة تطبيقات مهمة في تصنيع الألواح. ويمكن استخدام أشعة الليزر فائقة السرعة في قطع مستقطبات OLED وتقشيرها وإصلاحها أثناء تصنيع LCD/OLED.

بالنسبة لشاشات OLED، فإن مواد البوليمر الخاصة بها حساسة بشكل خاص للتأثيرات الحرارية. بالإضافة إلى ذلك، فإن حجم وتباعد الخلايا المصنعة حاليًا صغير جدًا، وحجم المعالجة المتبقية صغير جدًا أيضًا. لم تعد عملية القطع التقليدية كما كانت من قبل مناسبة لليوم. احتياجات الإنتاج للصناعة، والآن هناك متطلبات تطبيق للشاشات ذات الأشكال الخاصة والشاشات المثقبة، والتي تتجاوز قدرات الحرف التقليدية. بهذه الطريقة، تنعكس فوائد الليزر فائق السرعة، وخاصة أشعة الليزر فوق البنفسجية pico2nd أو حتى ليزر femto2nd، والتي لها منطقة صغيرة متأثرة بالحرارة وهي أكثر ملاءمة للتطبيقات الأكثر مرونة مثل معالجة المنحنيات.

اللحام الدقيق

بالنسبة للوسائط الصلبة الشفافة مثل الزجاج، تحدث ظواهر مختلفة مثل الامتصاص غير الخطي، والتلف الناتج عن الذوبان، وتكوين البلازما، والتآكل، وانتشار الألياف عندما ينتشر الليزر النبضي الفائق القصر في الوسط. يوضح الشكل الظواهر المختلفة التي تحدث في التفاعل بين الليزر النبضي الفائق القصر والمواد الصلبة تحت كثافات طاقة مختلفة ومقاييس زمنية مختلفة.

نظرًا لأن تقنية اللحام الدقيق بالليزر النبضي فائق القصر لا تحتاج إلى إدخال طبقة وسيطة، وتتمتع بكفاءة عالية ودقة عالية ولا تسبب تأثيرًا حراريًا بالعين المجردة، وتتمتع بخصائص ميكانيكية وبصرية مثالية نسبيًا بعد معالجة اللحام الدقيق، فهي مناسبة جدًا للحام الدقيق للمواد الشفافة مثل الزجاج. على سبيل المثال، نجح الباحثون في لحام أغطية الأطراف بالألياف البصرية القياسية والمجهرية باستخدام نبضات 70 fs و250 kHz.

إضاءة العرض

يشير تطبيق الليزر فائق السرعة في مجال إضاءة العرض بشكل أساسي إلى نقش وقطع رقائق LED. وهذا مثال آخر على أن الليزر فائق السرعة مناسب لمعالجة المواد الصلبة والهشة. تتميز معالجة الليزر فائق السرعة بمسطحية عالية للمقطع العرضي وتقليل تشقق الحواف بشكل كبير. يتم تحسين الكفاءة والدقة بشكل كبير.

الطاقة الضوئية

تتمتع أشعة الليزر فائقة السرعة بمساحة تطبيق واسعة في تصنيع الخلايا الكهروضوئية. على سبيل المثال، في تصنيع بطاريات CIGS ذات الأغشية الرقيقة، يمكن لأشعة الليزر فائقة السرعة أن تحل محل عملية النقش الميكانيكية الأصلية وتحسن بشكل كبير من جودة النقش، وخاصة بالنسبة لروابط النقش P2 وP3، والتي يمكن أن تحقق تقريبًا عدم وجود تقطيع أو شقوق أو إجهاد متبقي.

فضاء

من أجل تحسين أداء وعمر خدمة شفرات التوربينات، ومن ثم تحسين أداء المحرك، من الضروري اعتماد تقنية تبريد الفيلم الهوائي، والتي تطرح متطلبات عالية للغاية لتقنية معالجة ثقب الفيلم الهوائي. في عام 2018، طور معهد شيان للبصريات والميكانيكا أعلى طاقة نبضة واحدة في الصين. حقق ليزر الألياف الفمتو 26nd الصناعي بقوة 2 وات، وطور سلسلة من معدات التصنيع القصوى بالليزر فائق السرعة، اختراقًا في "المعالجة الباردة" لثقوب الفيلم الهوائي في شفرات توربينات محركات الطائرات، وملء الفجوة المحلية. طريقة المعالجة هذه أكثر تقدمًا من EDM، ودقة الطريقة أعلى، ومعدل العائد محسن بشكل كبير.

يمكن أيضًا تطبيق الليزر فائق السرعة في التشغيل الدقيق للمواد المركبة المقواة بالألياف، وسيساعد تحسين دقة التشغيل في توسيع نطاق تطبيق المواد المركبة مثل ألياف الكربون في مجال الفضاء وغيره من المجالات المتطورة.

مجال البحث

تقنية البلمرة ثنائية الفوتون (2PP) هي تقنية "نانو بصرية" 3D طريقة الطباعة، على غرار تقنية النماذج الأولية السريعة المعالجة بالضوء، ويعتقد المستقبلي كريستوفر بارنات أن هذه التكنولوجيا قد تصبح شكلاً رئيسيًا من أشكال 3D الطباعة في المستقبل. مبدأ تقنية البلمرة ثنائية الفوتون هو المعالجة الانتقائية للراتنج الحساس للضوء باستخدام "ليزر نبضة الفمتو 2". يبدو الأمر وكأنه نموذج أولي سريع للمعالجة الضوئية، والفرق هو أن الحد الأدنى لسمك الطبقة ودقة المحور XY التي يمكن لتقنية البلمرة ثنائية الفوتون تحقيقها يتراوح بين 2 نانومتر و2 نانومتر. بعبارة أخرى، 100PP 3D تعتبر تقنية الطباعة أكثر دقة بمئات المرات من تقنية صب المعالجة بالضوء التقليدية، والأشياء المطبوعة أصغر من البكتيريا.

في الوقت الحاضر، لا يزال سعر الليزر فائق السرعة مرتفعًا نسبيًا. وباعتبارها رائدة في هذه الصناعة، STYLECNC تنتج بالفعل معدات معالجة الليزر فائقة السرعة وحققت ردود فعل جيدة في السوق. تم إطلاق معدات القطع الدقيقة بالليزر لوحدات OLED القائمة على تقنية الليزر فائقة السرعة، ومعدات وضع العلامات بالليزر فائقة السرعة (بيكوثانية/فيمتو ثانية)، ومعدات معالجة الزجاج بالليزر لشاشات العرض بالأشعة تحت الحمراء pico2nd، ورقائق الزجاج بالأشعة تحت الحمراء pico2nd، ومعدات القطع بالليزر، وآلة التقطيع التلقائية غير المرئية LED، ورقائق أشباه الموصلات آلة القطع بالليزرمعدات قطع الغطاء الزجاجي لوحدات التعرف على بصمات الأصابع، وخطوط الإنتاج الضخم للشاشات المرنة وسلسلة من منتجات الليزر فائقة السرعة.

إيجابيات وسلبيات

الايجابيات

يُعد الليزر فائق السرعة أحد أهم اتجاهات التطوير في مجال الليزر. وباعتباره تقنية ناشئة، يتمتع بمزايا كبيرة في التصنيع الدقيق الدقيق. تتفاعل النبضة فائقة السرعة التي يولدها الليزر فائق السرعة مع المادة لفترة قصيرة جدًا، ولن تتسبب في تسخين المواد المحيطة، لذلك يُطلق على معالجة الليزر فائق السرعة أيضًا المعالجة الباردة. وذلك لأنه عندما يصل عرض نبضة الليزر إلى مستوى pico2nd أو femto2nd، يمكن تجنب التأثير على الحركة الحرارية الجزيئية إلى حد كبير، مما يؤدي إلى تقليل التأثير الحراري.

على سبيل المثال، عندما نقطع البيض المحفوظ بسكين مطبخ غير حاد، فإننا غالبًا ما نقطع البيض المحفوظ إلى قطع دقيقة. إذا اخترت طريقة قطع ذات حافة سكين حادة بشكل خاص تقطع الفوضى بسرعة، فسيتم قطع البيض المحفوظ بالتساوي وبشكل جميل. هذه هي ميزة السرعة الفائقة.

سلبيات

تتطلب صناعات التصنيع الراقية مثل الدوائر المتكاملة والألواح متطلبات عالية للغاية فيما يتعلق بمعدات معالجة الليزر، وهناك خطر يتمثل في عدم تحقيق الاختراقات التكنولوجية لتوقعات.

إن سعر أجهزة الليزر فائقة السرعة مرتفع، والتحول إلى مورد ليزر جديد يحمل في طياته خطر عدم القدرة على توسيع السوق بالشكل المتوقع لكل من مصنعي معدات الليزر والمستخدمين الأقرب إليهم.