01 Pappersguide
Transparenta material (som glas och safir) är oumbärliga i industri och spetsforskning på grund av deras utmärkta fysikalisk-kemiska egenskaper. Men deras höga hårdhet och höga bandgap har gjort mekanisk bearbetning till en-gammal utmaning. Tillkomsten av femtosekundlasrar har medfört en revolution för den interna modifieringen och bearbetningen av transparenta material, men frågor som långsam bearbetningshastighet och känslighet för stressskador har alltid varit flaskhalsar som begränsar deras industriella tillämpningar (som kravet på 1000 hål per sekund för tillverkning av glas genom-hål). Den här artikeln introducerar en ny metod för ultra-snabb borrning av transparenta material som uppnås genom transient elektronisk excitation, med bearbetningshastigheter som förbättras med en miljon gånger jämfört med traditionella slagborrningstekniker.
02Översikt över hela texten
Studien föreslår en teknik som kallas "Bessel transient selektiv laserabsorption". Först formas en Gaussisk-fördelad pikosekundlaser till en Bessel-stråle, som kan excitera bildningen av långa, enhetliga elektronexcitationskanaler, eller "lasertrådar", med en enda incidens i transparenta material. Bildandet av denna kanal orsakar en omedelbar förändring av materialets optiska egenskaper på pikosekund till nanosekundsskala, och förvandlas från en isolator till ett tillstånd som liknar det för en halv-metall, med en dramatisk ökning av absorptionskoefficienten. Samtidigt absorberar laserfilamenten effektivt och likformigt mikrosekunders-lång pulsad laserenergi, vilket omedelbart värmer upp materialet i kanalen till punkten för avdunstning och avlägsnande. Den här metoden undviker på ett skickligt sätt plasmareflektionsskärmningseffekterna som ses i traditionell hög-laserbehandling. I slutändan, på bara tiotals mikrosekunder, kan ett-genomgående-hål av hög kvalitet med en diameter på cirka 3,1 mikron och ett djup-till-diameterförhållande på upp till 322 skapas i 1 mm tjockt kvartsglas, utan konicitet eller mikrosprickor.{16}
03 Grafisk analys
Figur 1 (A) visar den optiska vägdesignen, där en puls av pikosekundlaser och en puls av mikrosekundlaser formas till Bessel-strålar respektive av ett axiellt prisma, sedan ko-axiellt kombineras genom en stråldelare och fokuseras på ett transparent materialprov. Figur 1 (B) avslöjar den fysiska processen under bearbetning: Steg ett, pikosekundlasern inducerar en lång och enhetlig elektronexcitationskanal inuti materialet; Steg två, den efterföljande mikrosekundlaserenergin absorberas selektivt av denna kanal, vilket uppnår omedelbar och enhetlig borttagning av materialet, vilket slutligen bildar ett genomgående-hål med ett högt bildförhållande.
Figur 2 visar intuitivt den fysiska kärnmekanismen genom pump-sondsavbildningsteknik. En Bessel-puls med en pulsbredd på 5 ps inducerar filament i kvartsglaset, vilket möjliggör stabil bildning av en enhetlig excitationskanal över 1 mm i längd inom 10 ps. Ännu viktigare är att denna kanal, som har en hög absorptionskoefficient, kan existera stabilt i minst 1,8 ns, mycket längre än elektron-gitterrelaxationstiden, vilket håller plasmat i ett högt-energitillstånd och ger tillräckliga förhållanden för selektiv absorption av efterföljande mikrosekundpulser.
Figur 3 visar hålmorfologin på mikro-nivå. I 1 mm tjockt kvartsglas tar det bara 20 mikrosekunder att bearbeta ett genomgående-hål med en diameter på cirka 3,1 µm, med ett djup-till-diameterförhållande så högt som 322. Sidovyn visar att kanalen är rak och utan avsmalnande, med släta hålväggar som uppvisar extremt hög processavstötning eller mikrosprickor. Genom att justera mikrosekundlaserns pulsbredd kan även håldiametern justeras i viss utsträckning.
Figur 4 visar universaliteten och industriell tillämpningspotential för denna teknik. Förutom kvartsglas har denna metod även framgångsrikt tillämpats på olika vanliga transparenta material som borosilikatglas och soda-kalkglas. Genom att fixera lasern och använda en-rörlig plattform med hög hastighet är det möjligt att uppnå en ultra-hög effektivitet på 1 000 hål per sekund, vilket på ett tillförlitligt sätt producerar tusentals enhetliga genomgående-hålsuppsättningar.
04 Sammanfattning
Forskningen i den här artikeln har uppnått en innovation inom området för laserbehandling genom transient elektronisk excitationsteknik. Genom att på ett skickligt sätt separera de två fysiska processerna "elektronexcitation" och "materialborttagning", och tilldela dem till två tidsmässigt koordinerade laserpulser på pikosekunder och mikrosekunder, övervann den framgångsrikt de grundläggande problemen med låg hastighet och låg energianvändning i traditionell ultrasnabb laserbearbetning, vilket ökade borrningseffektiviteten med en miljon gånger. Den här tekniken möjliggör inte bara ultra-snabb, hög-kvalitet och högt bildförhållande genom-håltillverkning i millimeter-tjocka transparenta material, utan visar också sin universalitet över olika material och en enorm potential för stor-produktion. Detta genombrott förväntas ha en djupgående inverkan inom områden som halvledarförpackningar, biomedicinska tillämpningar och banbrytande vetenskaplig forskning.
