01Giấy hướng dẫn
Các vật liệu trong suốt (chẳng hạn như thủy tinh và sapphire) là không thể thiếu trong công nghiệp và nghiên cứu{0}}tiên tiến nhờ các đặc tính hóa lý tuyệt vời của chúng. Tuy nhiên, độ cứng cao và đặc tính vùng cấm cao đã khiến việc xử lý cơ học trở thành một thách thức-có tuổi đời hàng thế kỷ. Sự ra đời của laser femto giây đã mang lại một cuộc cách mạng cho việc sửa đổi và xử lý bên trong các vật liệu trong suốt, nhưng các vấn đề như tốc độ xử lý chậm và khả năng bị hư hại do ứng suất luôn là trở ngại hạn chế các ứng dụng công nghiệp của chúng (chẳng hạn như yêu cầu 1000 lỗ mỗi giây đối với kính xuyên qua-sản xuất lỗ). Bài viết này giới thiệu một phương pháp mới để khoan cực nhanh các vật liệu trong suốt đạt được thông qua kích thích điện tử nhất thời, với tốc độ xử lý được tăng cường gấp một triệu lần so với kỹ thuật khoan tác động truyền thống.
02Tổng quan toàn văn
Nghiên cứu đề xuất một kỹ thuật gọi là 'Hấp thụ laser chọn lọc thoáng qua Bessel'. Đầu tiên, tia laser pico giây phân bố Gaussian-được định hình thành chùm Bessel, có thể kích thích sự hình thành các kênh kích thích electron đồng nhất, dài hay 'sợi laser', với một tần số duy nhất trong các vật liệu trong suốt. Sự hình thành kênh này gây ra sự thay đổi tức thời về tính chất quang học của vật liệu ở thang đo pico giây đến nano giây, chuyển từ chất cách điện sang trạng thái tương tự như trạng thái của bán kim loại, với hệ số hấp thụ tăng đáng kể. Đồng thời, các sợi laze hấp thụ một cách hiệu quả và đồng đều năng lượng xung laze dài micro giây{5}}, ngay lập tức làm nóng vật liệu trong kênh đến điểm bay hơi và loại bỏ. Phương pháp này khéo léo tránh được các hiệu ứng che chắn phản xạ plasma thường thấy trong quá trình xử lý laser cường độ cao-truyền thống. Cuối cùng, chỉ trong hàng chục micro giây, bạn có thể tạo ra một lỗ-chất lượng cao{10}}có đường kính khoảng 3,1 micron và tỷ lệ chiều sâu-trên{13}}đường kính lên tới 322 trong kính thạch anh dày 1mm mà không có bất kỳ vết nứt hình nón hoặc vết nứt{16}}nhỏ nào.
03Phân tích đồ họa
Hình 1 (A) thể hiện thiết kế đường quang, trong đó xung laser pico giây và xung laser micro giây lần lượt được định hình thành các chùm Bessel bằng lăng kính hướng trục, sau đó kết hợp-theo trục thông qua bộ tách chùm và tập trung vào mẫu vật liệu trong suốt. Hình 1 (B) cho thấy quy trình vật lý trong quá trình gia công: Bước một, tia laser pico giây tạo ra một kênh kích thích electron dài và đồng đều bên trong vật liệu; Bước hai, năng lượng laser micro giây tiếp theo được kênh này hấp thụ có chọn lọc, giúp loại bỏ vật liệu tức thời và đồng đều, cuối cùng tạo thành một lỗ xuyên qua-với tỷ lệ khung hình cao.
Hình 2 minh họa trực quan cơ chế vật lý cốt lõi thông qua công nghệ hình ảnh đầu dò-bơm. Xung Bessel có độ rộng xung 5 ps tạo ra các sợi trong thủy tinh thạch anh, cho phép hình thành ổn định kênh kích thích đồng đều có chiều dài trên 1 mm trong vòng 10 ps. Quan trọng hơn, kênh này có hệ số hấp thụ cao, có thể tồn tại ổn định trong ít nhất 1,8 ns, dài hơn nhiều so với thời gian thư giãn mạng lưới electron-, giữ cho plasma ở trạng thái năng lượng-cao và cung cấp đủ điều kiện cho sự hấp thụ có chọn lọc của các xung micro giây tiếp theo.
Hình 3 cho thấy hình thái lỗ ở cấp độ vi mô. Trong thủy tinh thạch anh dày 1 mm, chỉ mất 20 micro giây để xử lý một lỗ xuyên-có đường kính khoảng 3,1 µm, với tỷ lệ chiều sâu-đến-đường kính cao tới 322. Nhìn từ bên cạnh cho thấy kênh thẳng và không có độ côn, với thành lỗ nhẵn không có mảnh vụn hoặc vết nứt nhỏ, thể hiện chất lượng xử lý cực kỳ cao. Bằng cách điều chỉnh độ rộng xung của laser micro giây, đường kính lỗ cũng có thể được điều chỉnh ở một mức độ nhất định.
Hình 4 thể hiện tính phổ quát và tiềm năng ứng dụng công nghiệp của công nghệ này. Ngoài thủy tinh thạch anh, phương pháp này cũng đã được áp dụng thành công cho nhiều loại vật liệu trong suốt thường được sử dụng khác nhau như thủy tinh borosilicat và thủy tinh soda{2}}vôi. Bằng cách cố định tia laser và sử dụng nền tảng di chuyển tốc độ-cao, có thể đạt được hiệu suất cực cao là 1.000 lỗ mỗi giây, tạo ra hàng nghìn mảng lỗ đồng đều xuyên suốt-.
04 Tóm tắt
Nghiên cứu trong bài viết này đã đạt được sự đổi mới trong lĩnh vực xử lý laser thông qua công nghệ kích thích điện tử nhất thời. Bằng cách tách khéo léo hai quá trình vật lý là 'kích thích điện tử' và 'loại bỏ vật liệu', đồng thời gán chúng cho hai xung laser phối hợp theo thời gian là pico giây và micro giây, nó đã khắc phục thành công các vấn đề cơ bản về tốc độ chậm và sử dụng năng lượng thấp trong xử lý laser cực nhanh truyền thống, tăng hiệu quả khoan lên một triệu lần. Công nghệ này không chỉ cho phép tạo ra tỷ lệ khung hình cao,-nhanh,{3}}cao thông qua-khả năng tạo lỗ trên vật liệu trong suốt dày- milimet mà còn thể hiện tính phổ biến của nó trên nhiều loại vật liệu khác nhau và tiềm năng to lớn cho sản xuất{6}}quy mô lớn. Bước đột phá này dự kiến sẽ có tác động sâu sắc đến các lĩnh vực như bao bì bán dẫn, ứng dụng y sinh và nghiên cứu khoa học tiên tiến.
