01 Papirvejledning
Gennemsigtige materialer (såsom glas og safir) er uundværlige i industrien og banebrydende-forskning på grund af deres fremragende fysisk-kemiske egenskaber. Deres høje hårdhed og høje båndgab-egenskaber har imidlertid gjort mekanisk bearbejdning til en -årig udfordring. Fremkomsten af femtosekund-lasere har bragt en revolution inden for den interne modifikation og bearbejdning af transparente materialer, men problemer som langsom behandlingshastighed og modtagelighed for stressskader har altid været flaskehalse, der begrænser deres industrielle anvendelser (såsom kravet om 1000 huller i sekundet for fremstilling af glas gennem-huller). Dette papir introducerer en ny metode til ultra-hurtig boring af gennemsigtige materialer opnået gennem transient elektronisk excitation, med behandlingshastigheder, der er forbedret med en million gange sammenlignet med traditionelle slagboreteknikker.
02 Oversigt over den fulde tekst
Undersøgelsen foreslår en teknik kaldet 'Bessel transient selektiv laserabsorption'. For det første formes en Gaussisk-fordelt picosekundlaser til en Bessel-stråle, som kan excitere dannelsen af lange, ensartede elektronexcitationskanaler eller 'laserfilamenter' med en enkelt incidens i transparente materialer. Dannelsen af denne kanal forårsager en øjeblikkelig ændring i materialets optiske egenskaber på skalaen picosekund til nanosekund, transformation fra en isolator til en tilstand svarende til den for et semi-metal, med en dramatisk stigning i absorptionskoefficienten. Samtidig absorberer laserfilamenterne effektivt og ensartet mikrosekund-lang pulseret laserenergi og opvarmer øjeblikkeligt materialet i kanalen til punktet for fordampning og fjernelse. Denne metode undgår klogt de plasmareflektionsafskærmningseffekter, der ses i traditionel laserbehandling med høj-intensitet. I sidste ende, på kun ti mikrosekunder, kan et gennemgående-hul af høj-kvalitet med en diameter på ca. 3,1 mikron og et forhold mellem dybde-til-diameter på op til 322 skabes i 1 mm tykt kvartsglas uden nogen konicitet eller mikrorevner.{16}
03 Grafisk analyse
Figur 1 (A) viser det optiske vejdesign, hvor en puls af picosecond-laser og en puls af mikrosekundlaser formes til henholdsvis Bessel-stråler af et aksialt prisme, derefter ko-aksialt kombineret gennem en stråledeler og fokuseret på en transparent materialeprøve. Figur 1 (B) afslører den fysiske proces under bearbejdning: Trin et, picosecond-laseren inducerer en lang og ensartet elektronexcitationskanal inde i materialet; Trin to, den efterfølgende mikrosekundlaserenergi absorberes selektivt af denne kanal, hvilket opnår øjeblikkelig og ensartet fjernelse af materialet, hvilket i sidste ende danner et gennemgående-hul med et højt billedformat.
Figur 2 demonstrerer intuitivt den fysiske kernemekanisme gennem pumpe-probe-billeddannelsesteknologi. En Bessel-impuls med en impulsbredde på 5 ps inducerer filamenter i kvartsglasset, hvilket muliggør stabil dannelse af en ensartet excitationskanal over 1 mm i længden inden for 10 ps. Endnu vigtigere er det, at denne kanal, som har en høj absorptionskoefficient, stabilt kan eksistere i mindst 1,8 ns, langt længere end elektron-gitterets afslapningstiden, hvilket holder plasmaet i en høj-energitilstand og giver tilstrækkelige betingelser for den selektive absorption af efterfølgende mikrosekundimpulser.
Figur 3 viser hulmorfologien på mikro-niveau. I 1 mm tykt kvartsglas tager det kun 20 mikrosekunder at behandle et gennemgående-hul med en diameter på ca. 3,1 µm, med et dybde-til-diameterforhold så højt som 322. Set fra siden viser, at kanalen er lige og uden tilspidsning, med glatte hulvægge, der viser ekstrem høj kvalitet af procesaffald, eller som er ekstremt fri for procesaffald. Ved at justere mikrosekundlaserens pulsbredde kan huldiameteren også justeres til en vis grad.
Figur 4 viser denne teknologis universalitet og industrielle anvendelsespotentiale. Ud over kvartsglas er denne metode også blevet anvendt med succes på forskellige almindeligt anvendte gennemsigtige materialer såsom borosilikatglas og soda-kalkglas. Ved at fiksere laseren og bruge en høj-bevægelsesplatform er det muligt at opnå en ultra-høj effektivitet på 1.000 huller i sekundet, hvilket pålideligt producerer tusindvis af ensartede-huller.
04 Resumé
Forskningen i denne artikel har opnået en innovation inden for laserbehandling gennem transient elektronisk excitationsteknologi. Ved smart at adskille de to fysiske processer 'elektronexcitation' og 'materialefjernelse' og tildele dem til to tidsmæssigt koordinerede laserimpulser på picosekunder og mikrosekunder, overvandt det med succes de grundlæggende problemer med langsom hastighed og lav energiudnyttelse i traditionel ultrahurtig laserbehandling, hvilket øgede boreeffektiviteten med en million gange. Denne teknologi muliggør ikke kun den ultra-hurtige, høje-kvalitet og det høje billedformat gennem-hulfremstilling i millimeter-tykke gennemsigtige materialer, men demonstrerer også dens universalitet på tværs af forskellige materialer og et enormt potentiale for stor-produktion. Dette gennembrud forventes at have en dybtgående indvirkning på områder som halvlederpakning, biomedicinske applikationer og banebrydende{8}}videnskabelig forskning.
