01Guida cartacea
I materiali trasparenti (come vetro e zaffiro) sono indispensabili nell'industria e nella ricerca all'avanguardia- grazie alle loro eccellenti proprietà fisico-chimiche. Tuttavia, la loro elevata durezza e le caratteristiche di elevato gap di banda hanno reso la lavorazione meccanica una sfida secolare. L'avvento dei laser a femtosecondi ha portato una rivoluzione nella modifica interna e nella lavorazione di materiali trasparenti, ma problemi come la bassa velocità di lavorazione e la suscettibilità ai danni da stress sono sempre stati dei colli di bottiglia che ne limitano le applicazioni industriali (come il requisito di 1000 fori al secondo per la produzione di vetro con foro passante-). Questo articolo introduce un nuovo metodo per la perforazione ultra-rapida di materiali trasparenti ottenuta attraverso l'eccitazione elettronica transitoria, con velocità di elaborazione migliorate di un milione di volte rispetto alle tradizionali tecniche di perforazione a percussione.
02Panoramica del testo completo
Lo studio propone una tecnica chiamata "assorbimento laser selettivo transitorio di Bessel". Innanzitutto, un laser a picosecondi distribuito gaussiano- viene modellato in un fascio di Bessel, che può stimolare la formazione di canali di eccitazione elettronici lunghi e uniformi, o "filamenti laser", con un'unica incidenza in materiali trasparenti. La formazione di questo canale provoca un cambiamento istantaneo nelle proprietà ottiche del materiale su scala da picosecondo a nanosecondo, trasformandolo da isolante a uno stato simile a quello di un semi-metallo, con un drammatico aumento del coefficiente di assorbimento. Allo stesso tempo, i filamenti laser assorbono in modo efficiente e uniforme l'energia laser pulsata della durata di microsecondi-, riscaldando istantaneamente il materiale all'interno del canale fino al punto di evaporazione e rimozione. Questo metodo evita abilmente gli effetti di schermatura della riflessione del plasma osservati nella tradizionale lavorazione laser ad alta-intensità. In definitiva, in sole decine di microsecondi, è possibile creare un foro passante di alta-qualità-con un diametro di circa 3,1 micron e un rapporto tra profondità-e-diametro fino a 322 in un vetro di quarzo spesso 1 mm, senza alcuna conicità o micro-fessure.
03Analisi grafica
La Figura 1 (A) mostra la progettazione del percorso ottico, in cui un impulso di laser a picosecondi e un impulso di laser a microsecondi vengono modellati rispettivamente in fasci di Bessel da un prisma assiale, quindi combinati co-assialmente attraverso un divisore di fascio e focalizzati su un campione di materiale trasparente. La Figura 1 (B) rivela il processo fisico durante la lavorazione: Fase uno, il laser a picosecondi induce un canale di eccitazione degli elettroni lungo e uniforme all'interno del materiale; Fase due: la successiva energia laser di microsecondi viene assorbita selettivamente da questo canale, ottenendo una rimozione istantanea e uniforme del materiale, formando infine un foro passante- con proporzioni elevate.
La Figura 2 mostra in modo intuitivo il meccanismo fisico principale attraverso la tecnologia di imaging della sonda-della pompa. Un impulso di Bessel con una larghezza di impulso di 5 ps induce filamenti all'interno del vetro al quarzo, consentendo la formazione stabile di un canale di eccitazione uniforme di oltre 1 mm di lunghezza entro 10 ps. Ancora più importante, questo canale, che ha un elevato coefficiente di assorbimento, può esistere stabilmente per almeno 1,8 ns, molto più a lungo del tempo di rilassamento del reticolo elettronico, mantenendo il plasma in uno stato energetico elevato e fornendo condizioni sufficienti per l'assorbimento selettivo dei successivi impulsi di microsecondi.
La Figura 3 mostra la morfologia dei fori a livello micro-. Nel vetro al quarzo spesso 1 mm, sono necessari solo 20 microsecondi per elaborare un foro passante-con un diametro di circa 3,1 µm, con un rapporto tra profondità-e-diametro pari a 322. La vista laterale mostra che il canale è diritto e senza rastremazione, con pareti del foro lisce prive di detriti o microfessure, a dimostrazione di una qualità di lavorazione estremamente elevata. Regolando l'ampiezza dell'impulso del laser al microsecondo è possibile regolare in una certa misura anche il diametro del foro.
La Figura 4 dimostra l’universalità e il potenziale di applicazione industriale di questa tecnologia. Oltre al vetro al quarzo, questo metodo è stato applicato con successo anche a vari materiali trasparenti di uso comune come il vetro borosilicato e il vetro soda-calcico. Fissando il laser e utilizzando una piattaforma mobile ad alta-velocità, è possibile ottenere un'efficienza ultra-elevata di 1.000 fori al secondo, producendo in modo affidabile migliaia di array di fori passanti-uniformi.
04 Riepilogo
La ricerca in questo articolo ha realizzato un'innovazione nel campo della lavorazione laser attraverso la tecnologia di eccitazione elettronica transitoria. Separando abilmente i due processi fisici di “eccitazione degli elettroni” e “rimozione di materiale” e assegnandoli a due impulsi laser coordinati temporalmente di picosecondi e microsecondi, ha superato con successo i problemi fondamentali della bassa velocità e del basso utilizzo di energia nella tradizionale lavorazione laser ultraveloce, aumentando l’efficienza della perforazione di un milione di volte. Questa tecnologia non solo consente la produzione ultra-veloce, di alta-qualità e con proporzioni elevate attraverso-fori in materiali trasparenti spessi un millimetro-, ma dimostra anche la sua universalità su vari materiali e l'immenso potenziale per la produzione su larga-scala. Si prevede che questa svolta avrà un profondo impatto in campi quali l'imballaggio dei semiconduttori, le applicazioni biomediche e la ricerca scientifica all'avanguardia.
