레이저는 20세기 최고의 발명품 중 하나로 꼽힌다. 3차 산업혁명이 끝나면서 레이저는 4차 산업혁명을 이끄는 핵심이 될 것이다. 레이저의 출현은 산업 발전을 크게 촉진시켰습니다. 레이저는 높은 출력, 쉬운 초점, 높은 밝기 및 우수한 지향성과 같은 장점으로 인해 가공에서 가장 진보되고 널리 사용되는 수단이 되었습니다. 레이저 가공은 고정밀도, 고속, 저비용이라는 장점이 있습니다. 컴퓨터 프로그래밍에 의해 자동으로 제어될 수 있습니다. 복잡한 형상의 구조물을 가공할 수 있습니다. 비접촉 가공이기 때문에-재료에 손상이 없으며 안전하고 믿을 수 있습니다.
레이저 가공의 분류 및 특성
레이저와 물질 사이의 상호 작용 메커니즘에 따라 레이저 가공은 레이저 열 처리와 비-열 처리라는 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 열 처리와 비{2}}열 처리에 사용되는 레이저 유형은 다릅니다. 열가공에는 장-펄스 레이저나 연속레이저가 주로 사용되며, 비열가공에는 피코초, 펨토초 등의 초단펄스 레이저가 주로 사용된다.-
이 계열의 초고속 계열에 대해서는 다음 기사에서 자세히 설명합니다.초고속 레이저 가공 기술.
레이저 열 처리는 재료에 레이저를 조사하는 과정에서 발생하는 열 효과를 이용합니다. 조사된 물질의 분자 시스템은 레이저 조사로부터 지속적으로 에너지를 얻고 이를 자체 내부 에너지로 변환해야 합니다. 조사된 부분의 온도가 급격하게 상승하여 재료의 녹는점과 끓는점, 용융 및 제거, 가공의 목적을 달성합니다. 레이저의 에너지가 분자계의 내부 에너지로 변환되는 데 오랜 시간이 걸리기 때문에 열처리에는 장 펄스 레이저가 자주 사용됩니다. 이 가공 방법은 간단하고 직접적이며 레이저 절단, 레이저 적층 가공 등 산업 제조에 널리 사용되어 왔습니다. 그러나 가공 시 불가피한 열확산으로 인해 레이저 열 가공의 정확성과 거칠기가 제한됩니다.
비-열 처리는 전자 흡수 광자의 전이 및 이온화를 통해 재료의 전자 시스템 교란으로 인해 발생하는 비선형 효과(예: 비선형 이온화, 표면 산란 등)를 사용하여 재료의 물리적, 화학적 특성이 변화하도록 유도하여 몇 가지 새로운 효과(예: 2-광자 중합, 레이저 자기-조립 등)를 생성하고 이러한 새로운 효과를 사용하여 증가를 달성하는 것입니다. 목적 가공 정확도 및 최적화. 전자계와 레이저 사이의 에너지 교환은 순간적으로 완료될 수 있기 때문에 비-열 처리에서는 일반적으로 극초단 펄스 레이저를 사용합니다. 이 방법은 높은 정밀도와 다양한 가공 방법을 가지고 있어 레이저 가공 분야의 연구 핫스팟 중 하나입니다.
기존 펨토초 레이저 가공의 장점과 단점
매우-높은 피크 전력과 매우 짧은 펄스 지속 시간은 펨토초 레이저의 두 가지 주요 장점입니다. 매우-높은 피크 전력은 다양한 비선형 효과를 유도하기에 충분하여 레이저 가공 방법을 풍부하게 합니다. 초-시간 특성으로 인해 펨토초 레이저와 재료 간의 상호 작용 과정도 매우 짧아집니다. 레이저 조사 영역에 의해 흡수된 빛 에너지는 다른 영역으로 전달될 수 없으므로 레이저 에너지가 조사 범위에 정확하게 증착되고 초-미세 가공을 실현할 수 있습니다.
펨토초보다 한 단계 더 짧게,아토초 펄스 레이저 작동 원리.
현재 펨토초 레이저는 주로 레이저 직접 기록 및 레이저 마스크를 포함하여 마이크로 및 나노 가공 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 그러나 가공 시스템의 회절 한계로 인해 레이저 조사 영역을 제한 없이 줄이는 것이 불가능하며 이로 인해 가공 정확도의 추가 향상이 제한됩니다. 동시에, 다양한 재료의 다양한 비선형 특성으로 인해 펨토초 레이저 가공은 재료에 대한 의존도가 높습니다. 동일한 처리 방법은 종종 재료마다 다른 처리 효과를 나타냅니다.
자외선 펨토초 레이저 가공의 장점
현대 산업이 발전함에 따라 가공 정확도에 대한 요구 사항이 높아지고 있으며 레이저 가공 정확도에 영향을 미치는 주요 요인 중 하나는 가공 시스템의 회절 한계입니다. 회절 한계는 광학 시스템의 이미징 또는 처리 정확도를 설명하는 물리적 매개변수입니다. 회절 한계가 작을수록 처리 정확도가 높아집니다. 일반적으로 회절한계는 입사광의 파장에 정비례하므로 레이저 파장을 줄이는 것이 회절한계를 개선하는 가장 직접적이고 효과적인 수단이 됩니다. 예를 들어, 현재 업계에서 널리 사용되는 UV 리소그래피 기술은 레이저 파장을 줄여 가공 정확도를 높이는 것입니다.
UV 레이저는 파장이 380nm 미만인 레이저를 말합니다. 펨토초 레이저가 일반적으로 사용하는 파장(주로 가시광선 대역, 380nm-760nm)에 비해 UV 펨토초 레이저의 처리 정확도가 더 높습니다. 동시에 자외선 펨토초 레이저의 짧은 파장과 단일 광자의 큰 에너지로 인해 광자는 본질적으로 광화학 반응인 분자 또는 원자의 결합 결합을 기본적으로 용융 현상 없이 직접 차단할 수 있으므로 열 효과의 영향을 제한할 수 있습니다. 반면, UV 밴드는 포토레지스트와 같은 많은 폴리머의 민감한 밴드입니다. 이러한 폴리머는 자외선 펨토초 레이저 조사 하에서 2광자 중합 효과를 생성하여 흐르는 콜로이드를 높은 기계적 강도를 갖는 고체로 중합시킵니다. 처리 후 포토레지스트는 씻어내어 원하는 구조를 얻을 수 있습니다. 이 원리를 이용하면 초미세 3차원 구조 가공이 가능하다.
하나를 선택했을 때의 실제적인 결과에 대해서는 다음을 비교하십시오.UV 레이저와 적외선 레이저의 차이점.
벡터 및 와류장에서 펨토초 가공의 특성 및 장점
전통적인 펨토초 레이저 가공은 주로 레이저의 에너지 특성에 중점을 둡니다. 재료의 비선형 효과는 펨토초 레이저장의 초-높은-에너지에 의해 유도되어 가공 목적을 달성합니다. 빛과 물질 사이의 상호 작용 과정에서 에너지 흡수뿐만 아니라 운동량 교환도 이루어집니다. 이는 새로운 레이저 모드가 펨토초 처리 분야에서 장점을 최대한 발휘할 수 있음을 의미합니다.
벡터 필드와 소용돌이 필드는 가장 일반적인 새로운 레이저 모드 중 두 가지입니다. 편광 및 위상의 공간적 위상학적 특성으로 인해 필드는 몇 가지 특별한 물리적 특성을 갖게 됩니다. 예를 들어, 벡터장은 크기가 더 작은 회절 한계를 넘어 초점으로 수렴할 수 있으므로 가공 정확도가 더 높습니다. 반면에 자기장 자체가 전달하는 광자 각운동량은 물질과 운동량을 교환할 수 있습니다. 예를 들어, 나선형 위상 구조를 가진 소용돌이 광장은 입자가 고정 축을 중심으로 회전하도록 구동하는 광자 궤도 각운동량을 전달합니다. 왼쪽-또는 오른쪽-원편광 빛은 광자 스핀 각운동량을 전달하여 입자의 회전을 유도할 수 있습니다. 공간 위치에 따라 편광 상태가 변하는 벡터 광장은 각운동량 간의 상호 작용을 보여줄 수 있습니다. 같은 방식으로 벡터 및 소용돌이 장의 운동량 특성은 소용돌이 장을 사용하여 키랄 구조를 유도하거나 벡터 장을 사용하여 복잡한 패턴을 유도하는 등 펨토초 레이저 처리에도 사용할 수 있습니다.
기존의 펨토초 레이저 가공에 비해 시공간 특성을 제어할 수 있는{0}}고출력 자외선 레이저 시스템으로 생성되는 벡터 및 와류장 펨토초 레이저 가공은 가공 구조를 다양하고 복잡하게 만듭니다. 광장의 위상과 편광 분포를 설계함으로써 다양한 표면 패턴은 물론 복잡한 3차원-토폴로지도 얻을 수 있습니다. 시공간 광 변조 기술 및 시공간 집속 기술과 결합된 펨토초 레이저 펄스 성형 기술을 사용하여 시간 영역 및 주파수 영역에서 초고속 레이저 펄스를 변조하고 3차원 마이크로-나노 처리 및 다양한 재료의 실제 응용을 실현합니다. 이러한 기술은 새로운 통합 광학 및 마이크로 나노{10}}광학에서 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다.
자외선, 벡터 및 소용돌이 펨토초 광장의 장점 및 잠재적 응용
산업이 지속적으로 발전함에 따라 기존의 펨토초 레이저 가공 기술은 증가하는 산업 수요를 충족할 수 없으므로 개발 및 최적화가 필요합니다. UV 펨토초 레이저 가공 기술은 가공 정확도를 향상시키는 효과적인 방법이며 산업 제조 분야에서 큰 응용 가치를 가지고 있습니다. 벡터 및 소용돌이 장의 펨토초 레이저 가공 기술은 기존의 단일 가공 모드를 변경하여 레이저 가공을 더욱 유연하고 다양하게 만들었습니다. 또한 UV 벡터와 와류 펨토초 레이저 가공 기술은 빛과 물질의 상호 작용 이론을 실천하고 검증하는 것이기도 합니다. 이는 더 깊은 물리적 메커니즘을 밝히는 데 도움이 되며 긍정적인 과학적 의미를 갖습니다.