لیزر فوق سریع چیست؟ لیزرهای فوق سریع، همچنین به عنوان لیزرهای پالس فوق کوتاه شناخته می شوند، به عنوان یک فناوری انقلابی در پردازش مواد و کاربردهای دقیق ظاهر شده اند. در کاربردهای صنعتی، لیزرها معمولاً به چهار نوع اصلی تقسیم می شوند:
موج پیوسته، شبه پیوسته، پالس کوتاه و پالس فوق کوتاه. لیزر پیکو و فمتوثانیه دارای عرض پالس بسیار کوتاه است، معمولاً در محدوده فمتوثانیه (10-15 ثانیه) یا پیکو ثانیه (10-12 ثانیه). با خرید دستگاه جوش لیزری گاها از برند های معتبر این مدل لیزر را دریافت خواهید کرد. این مدت زمان پالس فوق کوتاه خواص منحصر به فردی را به لیزرهای فوق سریع می دهد و آنها را برای طیف وسیعی از کاربردها مناسب می کند.
توسعه موفقیت آمیز لیزرهای پالس اولترا کوتاه را می توان به پیشرفت های قابل توجهی در فناوری قفل حالت نسبت داد. این تکنیک به طور هوشمندانه یک رابطه فاز ثابت را در حفره لیزر معرفی می کند و باعث تداخل بین حالت های مختلف می شود که منجر به تولید یک سری پالس های لیزری می شود.
از طریق این روش، عرض پالس خروجی لیزر به طور چشمگیری به محدوده پیکوثانیه یا فمتوثانیه کاهش می یابد و آن را در محدوده پالس های فوق کوتاه قرار می دهد. این پالس های لیزری که معمولاً به عنوان لیزرهای فوق سریع شناخته می شوند، شامل انواع لیزرهای صنعتی مانند لیزرهای پیکوثانیه، لیزرهای فمتوثانیه و حتی لیزرهای آتوثانیه ای پیشرفته هستند که در تحقیقات علمی مورد استفاده قرار می گیرند.
پردازش لیزر فوق سریع به استفاده از پالس های لیزری بسیار کوتاه، معمولاً در محدوده فمتوثانیه (fs) تا پیکو ثانیه (ps) برای انجام وظایف پردازش دقیق مواد اشاره دارد. این پالسهای کوتاه، تحویل انرژی بسیار موضعی را امکانپذیر میسازند و امکان تعاملات پیچیده و کنترلشده با مواد در حال پردازش را با حداقل اثرات حرارتی فراهم میکنند.
در نتیجه، دستگاه لیزر فوق سریع برای کاربردهایی مانند ریز ماشینکاری، ساختار سطح، حکاکی و حتی روش های پزشکی استفاده می شود که دقت بالا و حداقل آسیب را به مواد اطراف ارائه می دهد.
مزایای لیزرهای پالس اولترا کوتاه در پردازش مواد در مقایسه با لیزرهای پالس کوتاه چیست؟
لیزرهای سنتی با انباشته شدن انرژی حرارتی کار می کنند که باعث ذوب یا حتی تبخیر شدن مواد در ناحیه مورد نظر می شود. این فرآیند میتواند منجر به عیوبی مانند ترکهای خرد شده و خرد شود و هر چه مدت لیزر طولانیتر باشد، آسیب بیشتری به مواد وارد میشود.
در مقابل، لیزرهای پالس اولتراکوتاه با مواد برای مدت زمان بسیار کوتاهی تعامل دارند، با انرژی تک پالس به اندازه کافی قوی برای یونیزه کردن هر ماده، امکان پردازش غیر حرارتی و سرد را فراهم می کند. این منجر به مزایای پردازشی مانند دقت بسیار خوب و حداقل آسیب می شود که با لیزرهای پالس طولانی تر قابل دستیابی نیستند.
علاوه بر این، لیزرهای فوق سریع طیف وسیع تری از سازگاری مواد را ارائه می دهند و آنها را برای سطوح حساس مانند فلزات، پوشش های TBC، شیشه، پلاستیک و موارد دیگر مناسب می کند.
با دقت پردازش بسیار بالا، لیزرهای فوق سریع از اثرات میدان قوی لیزر برای شکستن مستقیم پیوندهای مولکولی استفاده می کنند و ماشینکاری فوق دقیق و سرد مواد را امکان پذیر می کنند.
دو عنصر اصلی یک لیزر فوق سریع عبارتند از: تولید پالس های فوق کوتاه بسیار پایدار و دستیابی به انرژی پالس بالا. با استفاده از فناوری حالت قفل، میتوانیم پالسهای اولترا کوتاه مورد نظر را بدست آوریم، در حالی که تکنیک CPA (تقویت پالس چیرپ) انرژی پالس را بیشتر تقویت میکند. در این فرآیند، اجزای کلیدی مانند نوسان ساز، برانکارد، تقویت کننده و کمپرسور نقش اساسی دارند.
قفل کردن حالت یکی از فناوری های کلیدی برای تولید پالس های فوق کوتاه در لیزر است. مانند سوئیچینگ ، حالت قفل نیز حفره لیزر را تعدیل می کند تا نور موج پیوسته را به پالس تقسیم کند. با این حال، توجه به این نکته مهم است که اگرچه این دو پدیده به هم مرتبط هستند، اما اصول فیزیکی زیربنایی اساساً متفاوت هستند.
فناوری قفل حالت را می توان به طور کلی به قفل حالت فعال و قفل حالت غیرفعال تقسیم کرد. در کاربردهای عملی، علاوه بر مدولاسیون فاز فعال، مدولاسیون تلفات یک روش قفل کردن حالت رایج تر است، با اثر جذب اشباع به طور گسترده برای دستیابی به حالت قفل کردن استفاده می شود.
اثر جذب اشباع با کاهش تدریجی در جذب نور ماده با افزایش شدت نور مشخص می شود. هنگامی که شدت نور به آستانه معینی می رسد، جاذب اشباع پذیر جذب نور را متوقف می کند و شفاف می شود.
از زمان آغاز به کار خود در قرن بیستم، فناوری قفل حالت از طریق مراحل فعال، غیرفعال و خود قفل کننده لنزهای کر تکامل یافته است و تولید پالس های فوق کوتاه در سطح فمتوثانیه را تا حد زیادی ارتقا داده است.
با ظهور نوسانگرهای لیزری فمتوثانیه تیتانیوم یاقوت کبود، عصر جدیدی پدیدار شد که در آن لیزرهای یکپارچهتر و پایدارتر با حالت قفل شده به تدریج جایگزین لیزرهای رنگی قبلی شدند، بنابراین لیزرهای پالس فوق کوتاه را به حوزههای کاربردی گستردهتر هدایت کرد.
با این حال، تقویت مستقیم پالس های فوق کوتاه خروجی از نوسانگر با یک چالش مواجه است: اثرات غیرخطی درون کریستال لیزر می تواند باعث تشکیل رشته ها یا حتی آسیب به کریستال شود. این نه تنها بر تقویت کارآمد انرژی تأثیر می گذارد، بلکه به اجزای کریستالی نیز آسیب می رساند.
برای غلبه بر این مشکل به طور ابتکاری، تقویت پالس چیرپ (CPA) را پیشنهاد کردند. آنها هوشمندانه پالس های خروجی توسط نوسانگر را در حوزه زمان گسترش دادند و به طور قابل توجهی چگالی توان اوج را کاهش دادند و اکثر اثرات غیرخطی را حذف کردند.
به این ترتیب، پالس بذر می تواند انرژی کافی را از نور پمپ برای تقویت نوری جذب کند. سپس پالس توسط یک عنصر فشرده سازی فشرده می شود تا یک پالس کوتاه تولید کند. این پیشرفت به انرژی یک پالس منفرد اجازه می دهد تا به سطوحی به میزان میلی ژول یا حتی ژول برسد.
با تمرکز بیشتر پالسهای فوق کوتاه، میتوان به حداکثر چگالی توان تا 10^19 وات بر سانتیمتر مربع در نقطه کانونی دست یافت که یک پایه آزمایشی محکم برای مطالعه مکانیسمهای برهمکنش و کاربردهای لیزرهای فوقسریع و با شدت بالا با ماده فراهم میکند. تولد لیزرهای پالس اولترا کوتاه و فناوری CPA، آغاز مرحله جدیدی از توسعه در فناوری پردازش لیزر است.
لیزرهای پالس فوق سریع، با اوج قدرت بالای خود، می توانند اثرات غیرخطی شدیدی را ایجاد کنند. هنگامی که شدت لیزر به آستانه معینی می رسد، خواص نوری ماده دستخوش تغییرات قابل توجهی می شود که منجر به پدیده های غیرخطی مانند جذب چند فوتونی، تولید هارمونیک دوم و تمرکز بر خود می شود. این اثرات غیرخطی راه های جدیدی را برای فناوری لیزر در زمینه هایی مانند پردازش مواد، تبدیل فرکانس نوری و تولید پالس فوق کوتاه باز می کند.
در زمینه علم مواد می توان از لیزرهای پالس فوق سریع برای ریز ماشینکاری مواد با دقت بالا استفاده کرد. با کنترل پارامترهای لیزر، می توان به دقت پردازش در سطح میکرون و ساخت ساختارهای پیچیده دست یافت. فناوری لیزر فوق سریع به طور گسترده در زمینه هایی مانند:
این برنامهها پشتیبانی قوی برای تولید دقیق فراهم میکنند و امکان پردازش با کیفیت بالا، پیچیده و کارآمد را در صنایعی که نیاز به جزئیات دقیق و طرحهای پیچیده دارند، فراهم میکنند.
با شکل دادن به پرتو یک لیزر فوق سریع، می توان یک پرتو بسل با عمق فوکوس طولانی به دست آورد که دقیقاً روی لایه شیشه ای صفحه نمایش اعمال می شود و بنابراین امکان برش اشکال دلخواه را فراهم می کند. لیزر بسل مواد شفاف و شکننده را در دو مرحله برش می دهد:
ابتدا لیزر برش می دهد و سپس با کمک نیروی خارجی مواد را لوب می کنند. شایان ذکر است که با افزایش ضخامت ماده در حال برش، دشواری قطعه قطعه شدن به طور قابل توجهی افزایش می یابد. برای رفع این چالش می توان از استراتژی های مختلفی مانند برش های متعدد برای جبران کمبود عمق فوکوس یا افزایش انرژی پالس لیزر و طراحی سر برش با عمق فوکوس بیشتر استفاده کرد.
علاوه بر این، نباید از نوآوری های تکنولوژیک غافل شد. به عنوان مثال، استفاده از پالس های حالت انفجاری می تواند نتایج برش را بیشتر بهینه کند. با این حال، برای مواد به خصوص ضخیم یا الزامات برش پیچیده، پیشرفت های تکنولوژیکی به تنهایی ممکن است کافی نباشد و نیاز به ترکیب با نوآوری در فناوری لیزر برای دستیابی به انرژی های پالس بالاتر باشد.
مواد پلیمری OLED به تأثیرات حرارتی بسیار حساس است و تولید مدرن با اندازههای سلولی بسیار کوچک و فاصلهگذاری باعث شده است که فرآیند سنتی برش قالب نتواند نیازهای تولید فعلی را برآورده کند.
در عین حال، ظهور برنامه های کاربردی نوآورانه مانند صفحه نمایش های شکل دار و سوراخ دار فراتر از قابلیت های فرآیندهای سنتی است. با این حال، فناوری لیزر فوق سریع، به ویژه لیزرهای پیکوثانیه UV و فمتوثانیه، با مناطق کوچک متاثر از حرارت و انعطاف پذیری پردازش منحنی، برای حل این مشکلات ایده آل هستند.
هنگام کار با محیط جامد شفاف مانند شیشه، انتشار لیزرهای پالسی اولتراکوتاه باعث ایجاد یک سری پدیده های فیزیکی پیچیده می شود. این پدیده ها عبارتند از: جذب غیرخطی، آسیب ذوب، تشکیل پلاسما، فرسایش و انتشار رشته.
از طریق تصویر، ما به وضوح میتوانیم پدیدههای مختلفی را ببینیم که هنگام برخورد لیزر پالسی اولترا کوتاه با مواد جامد در چگالی توان و مقیاسهای زمانی مختلف رخ میدهند. این پدیده ها پشتیبانی قوی برای پردازش های خوب مانند جوشکاری میکرو فراهم می کنند.
با توجه به مزایای فراوان فناوری میکروجوش لیزر پالسی اولترا کوتاه مانند عدم نیاز به قرار دادن لایه میانی، راندمان بالا، دقت بالا، عدم اثرات حرارتی ماکروسکوپی و همچنین پس از جوشکاری مواد برای حفظ خواص مکانیکی و نوری ایده آل با دستگاه جوش لیزر دستی ، به انتخابی ایده آل برای ریزجوش مواد شفاف مانند شیشه تبدیل شده است.
در واقع، محققان با موفقیت از این تکنیک برای انجام جوشکاری درپوش انتهایی برای فیبرهای نوری استاندارد و ریزساختاری با استفاده از پالسهای 70 فمتوثانیه و 250 کیلوهرتز استفاده کردهاند.
در زمینه پزشکی، لیزر پالس فوق سریع در جراحیهای چشم، درمانهای پوست و سایر روشها استفاده میشود که مزایایی مانند حداقل ضربه و بهبودی سریع را ارائه میدهد. لیزرهای فوق سریع به ویژه در برش دقیق ابزارهای جراحی کم تهاجمی مانند کاتترها، اسکالپل ها و استنت ها مفید هستند.
دقت بسیار بالای پردازش لیزرهای فوق سریع، الزامات مربوط به هندسه های پیچیده و جزئیات در سطح میکرون را برآورده می کند. به عنوان مثال، دیوارههای استنتهای قلبی بسیار نازک هستند و روشهای سنتی برش مکانیکی دیگر نمیتوانند نیازهای پردازش را برآورده کنند.
در چنین مواردی، برش لیزری فمتوثانیه استنت ها به انتخاب ارجح تبدیل شده است. هنگام استفاده از لیزرهای استاندارد برای فرسایش و فرآوری ذوب، مسائلی مانند تشکیل بیش از حد سوراخ، عرض شیارهای ناسازگار، فرسایش شدید سطح، و عرض ناهموار استرات اغلب رخ می دهد. این مشکلات را می توان به طور موثر با برش لیزر فوق سریع، تضمین تولید استنت با کیفیت بالا و دقیق اجتناب کرد.