01 Papīra rokasgrāmata
Caurspīdīgi materiāli (piemēram, stikls un safīrs) ir neaizstājami rūpniecībā un jaunākajos{0}}pētījumos to lielisko fizikāli ķīmisko īpašību dēļ. Tomēr to augstā cietība un augstās joslas atstarpes raksturlielumi ir padarījuši mehānisko apstrādi par gadsimtu{2}}senu izaicinājumu. Femtosekundes lāzeru parādīšanās ir radījusi revolūciju caurspīdīgu materiālu iekšējā modifikācijā un apstrādē, taču tādas problēmas kā lēns apstrādes ātrums un uzņēmība pret spriedzes bojājumiem vienmēr ir bijušas vājās vietas, kas ierobežo to rūpniecisko pielietojumu (piemēram, prasība pēc 1000 caurumiem sekundē stikla caurumu ražošanai). Šajā rakstā ir ieviesta jauna metode īpaši ātrai caurspīdīgu materiālu urbšanai-, kas tiek panākta, izmantojot īslaicīgu elektronisku ierosmi, un apstrādes ātrums ir miljons reižu palielināts salīdzinājumā ar tradicionālajām triecienurbšanas metodēm.
02Pilna teksta pārskats
Pētījumā tiek piedāvāta metode, ko sauc par Besela pārejošo selektīvo lāzera absorbciju. Pirmkārt, Gausa{1}}izkliedētais pikosekundes lāzers tiek veidots Besela starā, kas var ierosināt garu, viendabīgu elektronu ierosmes kanālu jeb “lāzera pavedienu” veidošanos ar vienu reizi caurspīdīgos materiālos. Šī kanāla veidošanās izraisa acumirklīgas izmaiņas materiāla optiskajās īpašībās pikosekundes līdz nanosekundei mērogā, pārveidojot no izolatora stāvoklī, kas līdzīgs pus-metāla stāvoklim, dramatiski palielinot absorbcijas koeficientu. Tajā pašā laikā lāzera pavedieni efektīvi un vienmērīgi absorbē mikrosekundes-ilgu impulsa lāzera enerģiju, uzreiz uzsildot materiālu kanālā līdz iztvaikošanas un noņemšanas punktam. Šī metode gudri novērš plazmas atstarošanas aizsargefektus, kas redzami tradicionālajā augstas intensitātes lāzera apstrādē. Galu galā tikai desmitiem mikrosekunžu laikā 1 mm biezā kvarca stiklā var izveidot augstas-kvalitātes caurumu-ar aptuveni 3,1 mikronu diametru un dziļuma-pret-diametru attiecību līdz 322 — bez jebkāda koniskuma vai mikroreci.{16}
03Grafiskā analīze
1. attēlā (A) ir parādīts optiskā ceļa dizains, kur pikosekundes lāzera impulss un mikrosekundes lāzera impulss ar aksiālo prizmu attiecīgi tiek veidoti Besela staros, pēc tam koaksiāli apvienoti caur stara sadalītāju un fokusēti uz caurspīdīga materiāla paraugu. 1. attēlā (B) ir parādīts fiziskais process apstrādes laikā: pirmais solis, pikosekundes lāzers inducē garu un vienmērīgu elektronu ierosmes kanālu materiāla iekšpusē; Otrais solis, sekojošā mikrosekundes lāzera enerģija tiek selektīvi absorbēta šajā kanālā, panākot tūlītēju un vienmērīgu materiāla noņemšanu, galu galā veidojot caurumu-ar augstu malu attiecību.
2. attēlā intuitīvi parādīts galvenais fiziskais mehānisms, izmantojot sūkņa-zondes attēlveidošanas tehnoloģiju. Besela impulss ar impulsa platumu 5 ps inducē pavedienus kvarca stiklā, ļaujot 10 ps laikā stabili veidot vienotu ierosmes kanālu, kura garums pārsniedz 1 mm. Vēl svarīgāk ir tas, ka šis kanāls, kuram ir augsts absorbcijas koeficients, var stabili pastāvēt vismaz 1,8 ns, kas ir daudz ilgāks par elektronu-režģa relaksācijas laiku, saglabājot plazmu augstas-enerģijas stāvoklī un nodrošinot pietiekamus apstākļus selektīvai turpmāko mikrosekundu impulsu absorbcijai.
3. attēlā parādīta mikro-līmeņa caurumu morfoloģija. 1 mm biezā kvarca stiklā nepieciešamas tikai 20 mikrosekundes, lai apstrādātu caurumu, kura diametrs ir aptuveni 3,1 µm un kura dziļuma -pret-diametra attiecība ir 322. Sānu skatā redzams, ka kanāls ir taisns un bez konusa, ar gludām caurumu sienām, kas neapstrādā īpaši augstas kvalitātes mikroskopus. Regulējot mikrosekundes lāzera impulsa platumu, zināmā mērā var regulēt arī cauruma diametru.
4. attēlā parādīts šīs tehnoloģijas universālums un rūpnieciskā pielietojuma potenciāls. Papildus kvarca stiklam šī metode ir veiksmīgi izmantota arī dažādiem plaši izmantotiem caurspīdīgiem materiāliem, piemēram, borsilikāta stiklam un sodas kaļķa stiklam. Nostiprinot lāzeru un izmantojot ātrdarbīgu-kustīgu platformu, ir iespējams sasniegt īpaši-augstu efektivitāti — 1000 caurumu sekundē, droši izveidojot tūkstošiem vienotu caurumu-masīvu.
04 Kopsavilkums
Šajā rakstā veiktais pētījums ir panācis inovāciju lāzera apstrādes jomā, izmantojot pārejošas elektroniskās ierosmes tehnoloģiju. Gudri atdalot divus fiziskos procesus “elektronu ierosmi” un “materiālu noņemšanu” un piešķirot tiem diviem laika koordinētiem pikosekundēm un mikrosekundēm ilgajiem lāzera impulsiem, tas veiksmīgi pārvarēja pamatproblēmas, kas saistītas ar lēnu ātrumu un zemu enerģijas izmantošanu tradicionālajā ultraātrā lāzerapstrādē, miljons reižu palielinot urbšanas efektivitāti. Šī tehnoloģija ne tikai nodrošina īpaši ātru, augstu-kvalitāti un augstu malu attiecību, izmantojot -caurumu izgatavošanu milimetru-biezos caurspīdīgos materiālos, bet arī demonstrē tās universālumu dažādiem materiāliem un milzīgo potenciālu liela mēroga-ražošanai. Paredzams, ka šim sasniegumam būs liela ietekme tādās jomās kā pusvadītāju iepakošana, biomedicīnas lietojumi un visprogresīvākie zinātniskie pētījumi.
