Laser dianggap sebagai salah satu penemuan terbesar di abad ke 20. Dengan berakhirnya tiga revolusi industri, laser akan menjadi kunci untuk memimpin revolusi industri keempat. Munculnya laser telah sangat mendorong pengembangan industri. Laser telah menjadi cara paling canggih dan banyak digunakan dalam permesinan karena keunggulannya seperti daya tinggi, fokus mudah, kecerahan tinggi, dan directivity yang baik. Pemrosesan laser memiliki keunggulan presisi tinggi, kecepatan tinggi, dan biaya rendah. Itu dapat secara otomatis dikendalikan oleh pemrograman komputer. Ini dapat memproses struktur dengan bentuk yang kompleks. Karena ini adalah pemrosesan non-kontak, itu tidak akan merusak materi dan aman dan dapat diandalkan.
Klasifikasi dan karakteristik pemrosesan laser
Menurut mekanisme interaksi antara laser dan materi, pemrosesan laser dapat dibagi menjadi dua kategori: pemrosesan termal laser dan pemrosesan non-termal. Jenis-jenis laser yang digunakan dalam pemrosesan termal dan pemrosesan non-termal berbeda. Laser pulsa panjang atau laser kontinu biasanya digunakan dalam pemrosesan termal, dan laser pulsa ultrashort seperti picosecond dan femtosecond biasanya digunakan dalam pemrosesan non-termal.
Pemrosesan termal laser menggunakan efek termal yang dihasilkan dalam proses iradiasi laser pada material. Sistem molekuler dari bahan yang diiradiasi perlu secara konstan mendapatkan energi dari iradiasi laser dan mengubahnya menjadi energi internalnya sendiri. Suhu daerah iradiasi naik tajam untuk mencapai titik leleh dan titik didih material, peleburan dan pelepasan, dan mencapai tujuan pemrosesan. Karena butuh waktu lama untuk energi laser diubah menjadi energi internal sistem molekuler, laser pulsa panjang sering digunakan dalam pemrosesan termal. Metode pemrosesan ini sederhana dan langsung dan telah banyak digunakan dalam manufaktur industri, seperti pemotongan laser, manufaktur aditif laser, dll. Namun, karena difusi termal yang tak terhindarkan dalam pemrosesan, akurasi dan kekasaran pemrosesan termal laser terbatas.
Pemrosesan non-termal adalah dengan menggunakan efek nonlinear (seperti ionisasi nonlinear, hamburan permukaan, dll.) Yang disebabkan oleh gangguan sistem bahan elektronik, melalui transisi dan ionisasi foton penyerapan elektron, sifat fisik dan kimia dari bahan diinduksi untuk berubah, sehingga mengarah pada generasi beberapa efek baru (seperti polimerisasi dua-foton, perakitan sendiri laser, dll.), menggunakan efek baru ini untuk mencapai peningkatan. Tujuan akurasi dan optimisasi permesinan. Karena pertukaran energi antara sistem elektron dan laser dapat diselesaikan dalam sekejap, pemrosesan non-termal biasanya menggunakan laser pulsa ultrashort. Metode ini memiliki presisi tinggi dan berbagai metode pemrosesan, yang merupakan salah satu hotspot penelitian di bidang pemrosesan laser.
Keuntungan dan kerugian dari pemrosesan laser femtosecond tradisional
Daya puncak ultra-tinggi dan durasi pulsa ultra-pendek adalah dua keunggulan utama laser femtosecond. Daya puncak ultra-tinggi sudah cukup untuk menginduksi berbagai efek nonlinear, yang memperkaya metode pemrosesan laser. Karakteristik waktu yang sangat cepat juga membuat proses interaksi antara laser femtosecond dan material sangat singkat. Energi cahaya yang diserap oleh daerah iradiasi laser bahkan tidak dapat ditransfer ke daerah lain, sehingga untuk memastikan bahwa energi laser dapat secara akurat disimpan dalam kisaran iradiasi dan mewujudkan pemrosesan ultra-halus.
Saat ini, laser femtosecond telah banyak digunakan di bidang pemrosesan mikro dan nano, terutama termasuk laser direct writing dan laser mask. Namun, karena batas difraksi dari sistem pemesinan, mustahil untuk mengurangi area iradiasi laser tanpa batasan, yang membatasi peningkatan lebih lanjut dari akurasi pemesinan. Pada saat yang sama, karena karakteristik nonlinier yang berbeda dari bahan yang berbeda, pemrosesan laser femtosecond memiliki ketergantungan yang kuat pada bahan. Metode pemrosesan yang sama sering menunjukkan efek pemrosesan yang berbeda untuk bahan yang berbeda.
Keuntungan pemrosesan laser ultraviolet femtosecond
Dengan perkembangan industri modern, kebutuhan akurasi permesinan meningkat, dan salah satu faktor utama yang mempengaruhi akurasi permesinan laser adalah batas difraksi dari sistem permesinan. Batas difraksi adalah parameter fisik yang menggambarkan pencitraan atau akurasi pemrosesan sistem optik. Semakin kecil batas difraksi, semakin tinggi akurasi pemrosesan. Secara umum, batas difraksi berbanding lurus dengan panjang gelombang cahaya yang terjadi, sehingga mengurangi panjang gelombang laser menjadi cara yang paling langsung dan efektif untuk meningkatkan batas difraksi. Sebagai contoh, teknologi litografi UV yang banyak digunakan dalam industri saat ini adalah untuk meningkatkan akurasi pemrosesan dengan mengurangi panjang gelombang laser.
Laser UV mengacu pada laser yang panjang gelombangnya kurang dari 380 nm. Dibandingkan dengan panjang gelombang yang biasa digunakan oleh laser femtosecond (terutama pada pita cahaya tampak, 380 nm-760nm), akurasi pemrosesan laser femtosecond UV lebih tinggi. Pada saat yang sama, karena panjang gelombang pendek dari laser ultraviolet femtosecond dan energi besar foton tunggal, foton dapat langsung memotong ikatan ikatan molekul atau atom, yang pada dasarnya merupakan reaksi fotokimia, pada dasarnya tanpa fenomena leleh, sehingga membatasi pengaruh efek termal. Di sisi lain, pita UV adalah pita sensitif dari banyak polimer, seperti photoresists. Polimer ini akan menghasilkan efek polimerisasi dua-foton di bawah iradiasi laser ultraviolet femtosecond, yang membuat koloid polimerisasi mengalir menjadi padatan dengan kekuatan mekanik yang tinggi. Setelah pemrosesan, photoresist akan terhanyut, dan struktur yang diinginkan dapat diperoleh. Dengan menggunakan prinsip ini, pemrosesan struktur super halus 3 D dapat dilakukan.
Karakteristik dan keunggulan pemesinan femtosecond di bidang vektor dan vortex
Pengolahan laser femtosecond tradisional terutama berfokus pada karakteristik energi laser. Efek nonlinier bahan diinduksi oleh energi ultra-tinggi dari bidang laser femtosecond, sehingga mencapai tujuan pemrosesan. Dalam proses interaksi antara cahaya dan materi, tidak hanya penyerapan energi tetapi juga pertukaran momentum, yang berarti bahwa mode laser baru dapat memberikan permainan penuh untuk keuntungannya di bidang pemrosesan femtosecond.
Bidang Vector dan bidang vortex adalah dua mode laser baru yang paling khas. Karakteristik topologi spasial polarisasi dan fase membuat lapangan memiliki beberapa sifat fisik khusus. Misalnya, bidang vektor dapat konvergen ke titik fokus di luar batas difraksi, yang ukurannya lebih kecil, sehingga akurasi pemesinan lebih tinggi. Di sisi lain, momentum sudut foton yang dibawa oleh medan itu sendiri dapat bertukar momentum dengan materi. Sebagai contoh, bidang cahaya pusaran dengan struktur fase spiral membawa momentum sudut orbital foton, yang menggerakkan partikel untuk berputar di sekitar sumbu tetap; cahaya terpolarisasi melingkar kidal atau tangan kanan membawa momentum sudut spin foton, yang dapat mendorong partikel untuk berputar; bidang cahaya vektor yang polarisasi berubah dengan posisi spasial dapat menunjukkan interaksi antara momentum sudut. Dengan cara yang sama, karakteristik momentum bidang vektor dan vorteks juga dapat digunakan dalam pemrosesan laser femtosecond, seperti penggunaan bidang vorteks untuk menginduksi struktur kiral, penggunaan bidang vektor untuk menginduksi pola yang kompleks, dan sebagainya.
Dibandingkan dengan pemrosesan laser femtosecond tradisional, pemrosesan laser femtosecond bidang vektor dan vorteks diproduksi oleh sistem laser ultraviolet daya tinggi dengan karakteristik ruang-waktu yang dapat dikontrol membuat struktur pemrosesan beragam dan rumit. Dengan merancang distribusi fase dan polarisasi bidang cahaya, kita bisa mendapatkan berbagai pola permukaan dan bahkan topologi tiga dimensi yang kompleks. Menggunakan teknologi pembentukan pulsa laser femtosecond yang dikombinasikan dengan teknologi modulasi cahaya ruang-waktu dan teknologi pemfokusan ruang-waktu untuk memodulasi pulsa laser ultra cepat dalam domain waktu dan domain frekuensi, dan mewujudkan pemrosesan mikro-nano tiga dimensi dan aplikasi praktis dalam berbagai bahan . Teknologi ini diharapkan memainkan peran penting dalam optik dan mikro-optik terintegrasi baru.
Keuntungan dan aplikasi potensial bidang cahaya ultraviolet, vektor, dan vortex femtosecond
Dengan pengembangan industri yang berkelanjutan, teknologi pemrosesan laser femtosecond tradisional tidak dapat memenuhi permintaan industri yang terus meningkat, sehingga harus dikembangkan dan dioptimalkan. Teknologi pemrosesan laser femtosecond UV adalah cara yang efektif untuk meningkatkan akurasi pemrosesan dan memiliki nilai aplikasi yang hebat dalam industri manufaktur. Teknologi pemrosesan laser femtosecond bidang vektor dan vortex telah mengubah mode pemrosesan tunggal tradisional, membuat pemrosesan laser lebih fleksibel dan beragam. Selain itu, teknologi pemrosesan laser vektor dan vortex femtosecond juga merupakan praktik dan verifikasi teori interaksi antara cahaya dan materi, yang membantu mengungkapkan mekanisme fisik yang lebih dalam dan memiliki signifikansi ilmiah positif.