01 Papirveiledning
Gjennomsiktige materialer (som glass og safir) er uunnværlige i industri og banebrytende-forskning på grunn av deres utmerkede fysisk-kjemiske egenskaper. Imidlertid har deres høye hardhet og høye båndgap-egenskaper gjort mekanisk prosessering til en århundre-gammel utfordring. Fremkomsten av femtosekundlasere har ført til en revolusjon innen intern modifikasjon og prosessering av transparente materialer, men problemer som langsom prosesseringshastighet og mottakelighet for stressskader har alltid vært flaskehalser som begrenser deres industrielle anvendelser (som kravet om 1000 hull per sekund for produksjon av glass gjennom-hull). Denne artikkelen introduserer en ny metode for ultra-rask boring av transparente materialer oppnådd gjennom forbigående elektronisk eksitasjon, med prosesseringshastigheter forbedret med en million ganger sammenlignet med tradisjonelle slagboringsteknikker.
02Oversikt over hele teksten
Studien foreslår en teknikk kalt 'Bessel transient selektiv laserabsorpsjon'. Først formes en Gaussisk-fordelt pikosekundlaser til en Bessel-stråle, som kan eksitere dannelsen av lange, jevne elektroneksitasjonskanaler, eller 'laserfilamenter', med en enkelt forekomst i transparente materialer. Dannelsen av denne kanalen forårsaker en umiddelbar endring i materialets optiske egenskaper på skalaen pikosekund til nanosekund, og transformeres fra en isolator til en tilstand som ligner på et halv-metall, med en dramatisk økning i absorpsjonskoeffisienten. Samtidig absorberer laserfilamentene effektivt og jevnt mikrosekund-lang pulset laserenergi, og oppvarmer øyeblikkelig materialet i kanalen til punktet for fordampning og fjerning. Denne metoden unngår på en smart måte plasmarefleksjonsskjermingseffektene som sees i tradisjonell laserbehandling med høy-intensitet. Til syvende og sist, på bare titalls mikrosekunder, kan et gjennomgående-hull av høy-kvalitet med en diameter på ca. 3,1 mikron og et dybde-til-diameterforhold på opptil 322 lages i 1 mm tykt kvartsglass, uten konisitet eller mikrosprekker.{16}
03 Grafisk analyse
Figur 1 (A) viser den optiske banedesignen, der en puls fra pikosekundlaser og en puls fra mikrosekundlaser formes til henholdsvis Bessel-stråler av et aksialt prisme, deretter ko-aksialt kombinert gjennom en stråledeler og fokusert på en gjennomsiktig materialprøve. Figur 1 (B) avslører den fysiske prosessen under maskinering: Trinn én, picosekundlaseren induserer en lang og jevn elektroneksitasjonskanal inne i materialet; Trinn to, den påfølgende mikrosekundlaserenergien absorberes selektivt av denne kanalen, og oppnår øyeblikkelig og jevn fjerning av materialet, og til slutt danner et gjennomgående-hull med et høyt sideforhold.
Figur 2 demonstrerer intuitivt den fysiske kjernemekanismen gjennom pumpe-probe-avbildningsteknologi. En Bessel-puls med en pulsbredde på 5 ps induserer filamenter i kvartsglasset, noe som muliggjør stabil dannelse av en jevn eksitasjonskanal over 1 mm i lengde innen 10 ps. Enda viktigere er at denne kanalen, som har en høy absorpsjonskoeffisient, kan eksistere stabilt i minst 1,8 ns, langt lenger enn elektron-gitterrelaksasjonstiden, holde plasmaet i en høy-energitilstand og gi tilstrekkelige forhold for selektiv absorpsjon av påfølgende mikrosekundpulser.
Figur 3 viser hullmorfologien på mikro-nivå. I 1 mm tykt kvartsglass tar det bare 20 mikrosekunder å behandle et gjennomgående-hull med en diameter på ca. 3,1 µm, med et forhold mellom dybde-til-diameter så høyt som 322. Settet fra siden viser at kanalen er rett og uten avsmalning, med glatte hullvegger som viser ekstremt høykvalitetsdebrering eller mikrosprekker. Ved å justere pulsbredden til mikrosekundlaseren kan også hulldiameteren justeres til en viss grad.
Figur 4 viser universaliteten og det industrielle anvendelsespotensialet til denne teknologien. I tillegg til kvartsglass, har denne metoden også blitt brukt på forskjellige vanlig brukte transparente materialer som borosilikatglass og soda-kalkglass. Ved å fikse laseren og bruke en bevegelig-høyhastighetsplattform, er det mulig å oppnå en ultra-høy effektivitet på 1000 hull per sekund, og produserer pålitelig tusenvis av ensartede gjennom-hullmatriser.
04 Sammendrag
Forskningen i denne artikkelen har oppnådd en innovasjon innen laserbehandling gjennom transient elektronisk eksitasjonsteknologi. Ved å separere de to fysiske prosessene "elektroneksitasjon" og "materialfjerning", og tilordne dem til to tidsmessig koordinerte laserpulser på pikosekunder og mikrosekunder, overvant det de grunnleggende problemene med lav hastighet og lav energiutnyttelse i tradisjonell ultrarask laserbehandling, og økte boreeffektiviteten med en million ganger. Denne teknologien muliggjør ikke bare ultra-rask, høy-kvalitet og høyt sideforhold gjennom-hullproduksjon i millimeter-tykke gjennomsiktige materialer, men demonstrerer også sin universalitet på tvers av ulike materialer og et enormt potensial for stor-produksjon. Dette gjennombruddet forventes å ha en dyp innvirkning på felt som halvlederemballasje, biomedisinske applikasjoner og banebrytende vitenskapelig forskning.
