01Guia de papel
Materiais transparentes (como vidro e safira) são indispensáveis na indústria e em pesquisas-de ponta devido às suas excelentes propriedades físico-químicas. No entanto, sua alta dureza e altas características de bandgap tornaram o processamento mecânico um desafio-antigo. O advento dos lasers de femtosegundo trouxe uma revolução na modificação interna e no processamento de materiais transparentes, mas questões como a velocidade lenta de processamento e a suscetibilidade a danos por estresse sempre foram gargalos que limitam suas aplicações industriais (como a exigência de 1.000 furos por segundo para fabricação de-furos passantes de vidro). Este artigo apresenta um novo método para perfuração ultra{7}}rápida de materiais transparentes obtido por meio de excitação eletrônica transitória, com velocidades de processamento aprimoradas um milhão de vezes em comparação com técnicas tradicionais de perfuração de impacto.
02Visão Geral do Texto Completo
O estudo propõe uma técnica chamada 'absorção seletiva transitória de laser de Bessel'. Primeiro, um laser de picossegundos distribuído -gaussiano é moldado em um feixe de Bessel, que pode estimular a formação de canais de excitação de elétrons longos e uniformes, ou 'filamentos de laser', com uma única incidência em materiais transparentes. A formação deste canal provoca uma mudança instantânea nas propriedades ópticas do material na escala de picossegundos a nanossegundos, transformando-o de um isolante para um estado semelhante ao de um semi{3}}metal, com um aumento dramático no coeficiente de absorção. Ao mesmo tempo, os filamentos de laser absorvem de maneira eficiente e uniforme a energia do laser pulsado de microssegundos-de duração, aquecendo instantaneamente o material dentro do canal até o ponto de evaporação e remoção. Esse método evita habilmente os efeitos de proteção contra reflexão de plasma observados no processamento tradicional de laser de alta-intensidade. Em última análise, em apenas dezenas de microssegundos, um furo passante de-qualidade-de alta qualidade com um diâmetro de cerca de 3,1 mícrons e uma proporção de profundidade-para-diâmetro de até 322 pode ser criado em vidro de quartzo com 1 mm de espessura, sem qualquer conicidade ou micro-fissuras.
03Análise gráfica
A Figura 1 (A) mostra o projeto do caminho óptico, onde um pulso de laser de picossegundo e um pulso de laser de microssegundos são moldados em feixes de Bessel, respectivamente, por um prisma axial, depois combinados co-axialmente através de um divisor de feixe e focados em uma amostra de material transparente. A Figura 1 (B) revela o processo físico durante a usinagem: Etapa um, o laser de picossegundos induz um canal de excitação de elétrons longo e uniforme dentro do material; Na segunda etapa, a energia do laser de microssegundos subsequente é absorvida seletivamente por esse canal, conseguindo uma remoção instantânea e uniforme do material, formando, em última análise, um furo passante-com uma alta proporção de aspecto.
A Figura 2 demonstra intuitivamente o mecanismo físico principal por meio da tecnologia de imagem de sonda de bomba.{1}}. Um pulso de Bessel com largura de pulso de 5 ps induz filamentos dentro do vidro de quartzo, permitindo a formação estável de um canal de excitação uniforme com mais de 1 mm de comprimento em 10 ps. Mais importante ainda, este canal, que tem um alto coeficiente de absorção, pode existir de forma estável por pelo menos 1,8 ns, muito mais do que o tempo de relaxamento da rede eletrônica-, mantendo o plasma em um estado-de alta energia e fornecendo condições suficientes para a absorção seletiva de pulsos subsequentes de microssegundos.
A Figura 3 mostra a morfologia do furo de micro{1}}nível. Em vidro de quartzo com 1 mm de espessura, são necessários apenas 20 microssegundos para processar um furo-passante com um diâmetro de cerca de 3,1 µm, com uma proporção de profundidade-para-diâmetro de até 322. A vista lateral mostra que o canal é reto e sem conicidade, com paredes de furo lisas e livres de detritos ou microfissuras, demonstrando uma qualidade de processamento extremamente alta. Ao ajustar a largura do pulso do laser de microssegundos, o diâmetro do furo também pode ser ajustado até certo ponto.
A Figura 4 demonstra a universalidade e o potencial de aplicação industrial desta tecnologia. Além do vidro de quartzo, esse método também foi aplicado com sucesso a vários materiais transparentes comumente usados, como vidro borossilicato e vidro de cal sodada. Fixando o laser e usando uma plataforma móvel de alta{4}}velocidade, é possível alcançar uma eficiência ultra-alta de 1.000 furos por segundo, produzindo de forma confiável milhares de matrizes-de furos passantes uniformes.
04 Resumo
A pesquisa neste artigo alcançou uma inovação no campo do processamento a laser por meio da tecnologia de excitação eletrônica transitória. Ao separar habilmente os dois processos físicos de 'excitação de elétrons' e 'remoção de material', e atribuí-los a dois pulsos de laser coordenados temporalmente de picossegundos e microssegundos, ele superou com sucesso os problemas fundamentais de velocidade lenta e baixa utilização de energia no processamento tradicional de laser ultrarrápido, aumentando a eficiência de perfuração em um milhão de vezes. Essa tecnologia não apenas permite ultra-alta{3}}qualidade e alta proporção por meio da-fabricação de furos em materiais transparentes com espessura milimétrica-, mas também demonstra sua universalidade em vários materiais e imenso potencial para produção em-grande escala. Espera-se que essa inovação tenha um impacto profundo em áreas como embalagens de semicondutores, aplicações biomédicas e pesquisas científicas-de ponta.
