01 Paperiopas
Läpinäkyvät materiaalit (kuten lasi ja safiiri) ovat välttämättömiä teollisuudessa ja huippututkimuksessa-erinomaisten fysikaalis-kemiallisten ominaisuuksiensa ansiosta. Niiden korkea kovuus ja suuret kaistanväliset ominaisuudet ovat kuitenkin tehneet mekaanisesta käsittelystä vuosisadan vanhan haasteen. Femtosekuntilaserien tulo on tuonut vallankumouksen läpinäkyvien materiaalien sisäiseen muokkaamiseen ja käsittelyyn, mutta ongelmat, kuten hidas käsittelynopeus ja alttius jännitysvaurioille, ovat aina olleet pullonkauloja, jotka rajoittavat niiden teollisia sovelluksia (kuten vaatimus 1000 reikää sekunnissa lasin läpireikien valmistuksessa). Tässä artikkelissa esitellään uusi menetelmä läpinäkyvien materiaalien ultranopeaan-poraukseen, joka saavutetaan ohimenevän elektronisen virityksen avulla. Prosessointinopeudet ovat miljoona kertaa suuremmat verrattuna perinteisiin iskuporaustekniikoihin.
02 Koko tekstin yleiskatsaus
Tutkimuksessa ehdotetaan tekniikkaa nimeltä "Besselin ohimenevä selektiivinen laserabsorptio". Ensinnäkin Gaussin-hajautettu pikosekundinen laser muotoillaan Besselin säteeksi, joka voi herättää pitkien, yhtenäisten elektronivirityskanavien eli "laserfilamenttien" muodostumisen yhdellä kertaa läpinäkyvissä materiaaleissa. Tämän kanavan muodostuminen aiheuttaa välittömän muutoksen materiaalin optisissa ominaisuuksissa pikosekunnin ja nanosekunnin asteikolla, jolloin se muuttuu eristeestä puolimetallin kaltaiseen tilaan, jolloin absorptiokerroin kasvaa dramaattisesti. Samaan aikaan laserfilamentit absorboivat tehokkaasti ja tasaisesti mikrosekunnin-pitkän pulssilaserin energiaa ja lämmittävät välittömästi materiaalin kanavassa haihtumis- ja poistumispisteeseen. Tällä menetelmällä vältetään taitavasti plasmaheijastussuojaefektit, joita havaitaan perinteisessä korkean intensiteetin{7}}laserkäsittelyssä. Lopulta 1 mm:n paksuiseen kvartsilasiin voidaan luoda vain kymmenissä mikrosekunneissa korkea-laadukas-läpivienti, jonka halkaisija on noin 3,1 mikronia ja jonka syvyys---halkaisijasuhde on jopa 322, ilman kartioisuutta tai mikrorakeita.
03 Graafinen analyysi
Kuva 1 (A) esittää optisen polun suunnittelun, jossa pikosekunnin laserpulssi ja mikrosekunnin laserpulssi muotoillaan Besselin säteiksi aksiaalisen prisman avulla, yhdistetään sitten ko-aksiaalisesti säteenjakajan läpi ja fokusoidaan läpinäkyvään materiaalinäytteeseen. Kuva 1 (B) paljastaa fyysisen prosessin koneistuksen aikana: Vaihe yksi, pikosekunnin laser indusoi pitkän ja tasaisen elektronivirityskanavan materiaalin sisällä; Vaihe kaksi, myöhempi mikrosekunnin laserenergia absorboituu valikoivasti tähän kanavaan, jolloin materiaali poistuu välittömästi ja tasaisesti, mikä lopulta muodostaa läpimenevän-reiän, jolla on korkea kuvasuhde.
Kuva 2 esittää intuitiivisesti pump-sondinkuvaustekniikan fyysisen ydinmekanismin. Besselin pulssi, jonka pulssin leveys on 5 ps, indusoi filamentteja kvartsilasissa, mikä mahdollistaa tasaisen, yli 1 mm:n pituisen virityskanavan vakaan muodostumisen 10 ps:n sisällä. Vielä tärkeämpää on, että tämä kanava, jolla on korkea absorptiokerroin, voi olla vakaasti olemassa ainakin 1,8 ns, paljon pidempään kuin elektroni-hilan rentoutumisaika, pitäen plasman korkean-energiatilassa ja tarjoamalla riittävät olosuhteet myöhempien mikrosekunnin pulssien selektiiviselle absorptiolle.
Kuva 3 näyttää mikro-tason reiän morfologian. 1 mm:n paksuisessa kvartsilasissa kestää vain 20 mikrosekuntia läpimittaisen-reiän käsittelyyn, jonka halkaisija on noin 3,1 µm ja jonka syvyys---halkaisijasuhde on jopa 322. Sivukuva osoittaa, että kanava on suora ja kartiomaton, ja siinä on sileät reikäseinät, jotka ovat erittäin laadukkaita ilman vaurioita. Mikrosekunnin laserin pulssin leveyttä säätämällä voidaan myös reiän halkaisijaa säätää tietyssä määrin.
Kuva 4 havainnollistaa tämän tekniikan yleismaailmallisuutta ja teollista sovelluspotentiaalia. Kvartsilasin lisäksi tätä menetelmää on sovellettu menestyksekkäästi useisiin yleisesti käytettyihin läpinäkyviin materiaaleihin, kuten boorisilikaattilasiin ja sooda-kalkkilasiin. Kiinnittämällä laserin ja käyttämällä nopeaa-liikkuvaa alustaa on mahdollista saavuttaa erittäin-korkea hyötysuhde, 1 000 reikää sekunnissa, jolloin saadaan luotettavasti tuhansia yhtenäisiä läpi{8}}reikäryhmiä.
04 Yhteenveto
Tämän artikkelin tutkimus on saavuttanut innovaation laserkäsittelyn alalla transienttielektronisen herätetekniikan avulla. Erottelemalla taitavasti kaksi fyysistä prosessia, "elektroniviritys" ja "materiaalin poisto", ja kohdistamalla ne kahdelle ajallisesti koordinoidulle piko- ja mikrosekunnin laserpulssille, se voitti onnistuneesti perinteisen ultranopean laserkäsittelyn hitaan nopeuden ja alhaisen energiankäytön perusongelmat, mikä nosti porauksen tehokkuutta miljoona kertaa. Tämä tekniikka ei ainoastaan mahdollista huippunopeaa, korkealaatuista-laatua ja korkeaa kuvasuhdetta-reikien valmistuksen kautta millimetripaksuista-läpinäkyvistä materiaaleista, vaan se osoittaa myös sen universaalisuuden eri materiaaleihin ja valtavat mahdollisuudet laajamittaiseen tuotantoon. Tällä läpimurolla odotetaan olevan syvällinen vaikutus esimerkiksi puolijohdepakkauksiin, biolääketieteen sovelluksiin ja huippuluokan tieteelliseen tutkimukseen.
