01 Посібник з паперу
Прозорі матеріали (такі як скло та сапфір) незамінні в промисловості та передових-дослідженнях завдяки своїм чудовим фізико-хімічним властивостям. Однак їх висока твердість і широка заборонена зона зробили механічну обробку проблемою століття-. Поява фемтосекундних лазерів принесла революцію у внутрішню модифікацію та обробку прозорих матеріалів, але такі проблеми, як повільна швидкість обробки та сприйнятливість до пошкоджень від напруги, завжди були вузькими місцями, які обмежували їхнє промислове застосування (наприклад, вимога 1000 отворів на секунду для виробництва скла через -отвори). У цьому документі представлено новий метод над-свердління прозорих матеріалів, досягнутий за допомогою перехідного електронного збудження, зі швидкістю обробки, збільшеною в мільйон разів порівняно з традиційними методами ударного свердління.
02 Огляд повного тексту
Дослідження пропонує метод під назвою «перехідне селективне лазерне поглинання Бесселя». По-перше, гауссів-розподілений пікосекундний лазер формує промінь Бесселя, який може викликати утворення довгих однорідних електронних каналів збудження, або «лазерних ниток», з одноразовим падінням у прозорі матеріали. Утворення цього каналу викликає миттєву зміну оптичних властивостей матеріалу в масштабі від пікосекунд до наносекунд, перетворюючись із ізолятора в стан, подібний до стану напів-метал, із різким збільшенням коефіцієнта поглинання. У той же час лазерні нитки ефективно й рівномірно поглинають мікросекундну-довгу імпульсну енергію лазера, миттєво нагріваючи матеріал у каналі до точки випаровування та видалення. Цей метод вміло уникає ефектів екранування від відбиття плазми, які спостерігаються під час традиційної високо-лазерної обробки. Зрештою, лише за десятки мікросекунд у кварцовому склі товщиною 1 мм можна створити високоякісний-отвір діаметром приблизно 3,1 мікрона та співвідношенням глибин-до-діаметра до 322 без жодної конусності чи мікро-тріщин.
03Графічний аналіз
На малюнку 1 (A) показано схему оптичного шляху, де імпульс пікосекундного лазера та імпульс мікросекундного лазера формуються відповідно в промені Бесселя за допомогою аксіальної призми, а потім ко-комбінуються в аксіальному напрямку через розсіювач променя та фокусуються на зразку прозорого матеріалу. На малюнку 1 (B) показано фізичний процес під час механічної обробки: Крок перший, пікосекундний лазер індукує довгий однорідний канал збудження електронів усередині матеріалу; На другому етапі наступна мікросекундна лазерна енергія вибірково поглинається цим каналом, досягаючи миттєвого та рівномірного видалення матеріалу, зрештою утворюючи наскрізний-отвір із високим співвідношенням сторін.
На рисунку 2 інтуїтивно зрозуміло демонструється основний фізичний механізм за допомогою технології візуалізації насос-зонда. Імпульс Бесселя з шириною імпульсу 5 пс індукує нитки всередині кварцового скла, дозволяючи стабільно формувати однорідний канал збудження довжиною понад 1 мм протягом 10 пс. Що ще важливіше, цей канал, який має високий коефіцієнт поглинання, може стабільно існувати принаймні 1,8 нс, набагато довше, ніж час релаксації електронної-гратки, утримуючи плазму у високо-енергетичному стані та забезпечуючи достатні умови для вибіркового поглинання наступних мікросекундних імпульсів.
На малюнку 3 показано морфологію отвору мікро-рівня. У кварцовому склі товщиною 1 мм потрібно лише 20 мікросекунд, щоб обробити наскрізний-отвір діаметром близько 3,1 мкм із співвідношенням глибини-до-діаметра 322. Вид збоку показує, що канал прямий і без конусів, з гладкими стінками отвору, вільними від сміття та мікротріщин, що демонструє надзвичайно високу якість обробки. Регулюючи ширину імпульсу мікросекундного лазера, можна також певною мірою регулювати діаметр отвору.
Рисунок 4 демонструє універсальність і потенціал промислового застосування цієї технології. Окрім кварцового скла, цей метод також успішно застосовувався до різноманітних широко використовуваних прозорих матеріалів, таких як боросилікатне скло та вапняно-натрієве скло. Закріпивши лазер і використовуючи високо-швидкісну рухому платформу, можна досягти над-високої ефективності 1000 отворів на секунду, надійно створюючи тисячі рівномірних-матриць отворів.
04 Підсумок
Дослідження в цій статті досягли інновації в галузі лазерної обробки за допомогою технології перехідного електронного збудження. Розумно розділивши два фізичні процеси «збудження електронів» і «видалення матеріалу» та приписавши їх двом узгодженим у часі лазерним імпульсам тривалістю пікосекунди та мікросекунди, він успішно подолав фундаментальні проблеми низької швидкості та низького використання енергії в традиційній надшвидкісній лазерній обробці, підвищивши ефективність свердління в мільйон разів. Ця технологія не лише забезпечує над-високу-якісність і високе співвідношення сторін через-виробництво отворів у міліметрових-прозорих матеріалах, але також демонструє свою універсальність для різних матеріалів і величезний потенціал для-великомасштабного виробництва. Очікується, що цей прорив матиме глибокий вплив у таких галузях, як упаковка напівпровідників, біомедичні застосування та передові-наукові дослідження.
