Khoảnh khắc laser femto giây phá vỡ đường kính sợi tóc, một nghìn chu kỳ đã được hoàn thành, đặc tính siêu nhanh và chính xác này đang định hình lại ranh giới của ngành sản xuất hiện đại. Công nghệ gia công laser siêu nhanh, một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực sản xuất chính xác, đã trở thành một công cụ tình dục cho gia công quy mô micro nhờ xung cực ngắn độc đáo và đặc tính công suất cực cao. Từ việc cắt hình dạng đặc biệt của màn hình điện thoại thông minh đến gia công chính xác giá đỡ tim, từ xử lý vật liệu hàng không vũ trụ đến sản xuất thiết bị y tế, tia laser siêu nhanh đang phá vỡ giới hạn của sản xuất truyền thống với lợi thế "làm lạnh".

01 Đặc điểm vật lý và nguyên tắc cốt lõi của laser siêu nhanh

Laser siêu nhanh thường đề cập đến xung laser có độ rộng xung từ picosecond đến femto giây. Một picosecond tương đương với một phần mười nghìn tỷ giây, và một femto giây là một phần nghìn của picosecond. Trong một pico giây, ánh sáng chỉ có thể truyền đi khoảng 0,3 mm, tương đương với đường kính của sợi tóc. Giá trị cốt lõi của laser siêu nhanh nằm ở cơ chế tương tác độc đáo của nó với vật liệu. Khi chiều rộng xung laser đạt đến cỡ picosecond hoặc femto giây, năng lượng laser sẽ được tiêm vào vật liệu trong một thời gian rất ngắn, làm cho vật liệu bay hơi nhanh chóng, tránh hiệu ứng khuếch tán nhiệt và đạt được cái gọi là "làm việc lạnh". Không giống như laser xung dài truyền thống, trong quá trình xử lý laser siêu nhanh, vật liệu không có đủ thời gian để tan chảy trong thể tích tập trung và khuếch tán vào vật liệu xung quanh sau khi được làm nóng. Laser femto giây có thể gây ra quá trình ion hóa vật liệu nhanh chóng, đẩy vật liệu từ khu vực được chiếu xạ trực tiếp thành hỗn hợp của các giọt plasma, hơi nước và nano, làm tan chảy vật liệu và khuếch tán nhiệt không đáng kể trong quá trình xử lý. Đối với vật liệu trong suốt, tia laser siêu nhanh cho phép xử lý bên trong bằng cách hấp thụ đa photon phi tuyến tính. Khi một photon mật độ tới vật liệu, một electron có thể bị kích thích bởi nhiều photon được hấp thụ đồng thời, ngay cả khi năng lượng photon riêng lẻ nhỏ hơn khoảng cách dải vật liệu, và sự hấp thụ phi tuyến này thường chỉ xảy ra gần tiêu điểm laser, cho phép laser siêu nhanh đạt được quá trình xử lý ba chiều bên trong vật liệu trong suốt.

02 đột phá công nghệ then chốt và phương pháp chế biến

Các phương tiện kỹ thuật chính để xử lý laser siêu nhanh bao gồm viết thẳng laser femto giây và xử lý song song laser femto giây. Công nghệ viết trực tiếp laser femto giây không cần mặt nạ, bằng cách kiểm soát quét chùm tia để đạt được quá trình tạo hình hai chiều hoặc ba chiều, độ phân giải xử lý có thể đạt đến cấp độ nano. Công nghệ Pulse String là một sự đổi mới quan trọng trong những năm gần đây. Tia laser siêu nhanh cũng đã phát triển các kỹ thuật gia công đặc biệt như cắt tàng hình, chuyển tiếp laser cảm ứng và hàn vi mô. Lấy việc cắt màn hình điện thoại thông minh làm ví dụ, tia laser siêu nhanh có thể gây ra các vết nứt nhỏ bên trong vật liệu trong suốt để đạt được bất kỳ hình dạng cắt chính xác nào, đáp ứng nhu cầu xử lý đa dạng của màn hình toàn diện, màn hình Liu Haijing, màn hình giọt nước, v.v.

03 Lĩnh vực ứng dụng và giá trị công nghiệp hóa

Trong lĩnh vực sản xuất điện tử, laser siêu nhanh đã trở thành một công cụ quan trọng để cắt điện thoại màn hình toàn diện. Sản xuất thiết bị y tế là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng khác của laser siêu nhanh. Trong chế biến stent tim, laser truyền thống có nhiều gờ và chiều rộng rãnh cắt không đồng nhất, trong khi stent tim được xử lý bằng laser femto giây có bề mặt nhẵn, làm giảm đáng kể cơ hội phát triển mô sẹo và cải thiện khả năng tương thích sinh học. Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, tia laser siêu nhanh đã giải quyết các vấn đề nan giải trong việc xử lý các vật liệu khó xử lý như hợp kim nhiệt độ cao và gốm chướng ngại vật nhiệt. Ví dụ, phương pháp khoan xoắn ốc hai bước bằng laser femto giây cho phép xử lý chất lượng cao các lỗ màng khí của cánh động cơ hàng không mà không có các khuyết tật như giật gân, vi nứt và vùng ảnh hưởng nhiệt. Ngành công nghiệp bán dẫn cũng được hưởng lợi từ công nghệ laser siêu nhanh.

04 Xu hướng phát triển và triển vọng tương lai

Khi chi phí laser siêu nhanh giảm và mức độ thông minh tăng lên, công nghệ từng được sử dụng trong lĩnh vực này đang dần hướng tới các ứng dụng công nghiệp rộng lớn hơn, cung cấp động lực cốt lõi để chuyển đổi và nâng cấp sản xuất. Từ phòng thí nghiệm đến công nghiệp hóa, công nghệ xử lý laser siêu nhanh chỉ mất hai thập kỷ. Nó thay thế các công cụ cơ khí truyền thống và trở thành "dao mổ chính xác" được sản xuất, liên tục nâng cao ranh giới giữa độ chính xác và hiệu quả gia công. Trong tương lai, với sự trưởng thành và thúc đẩy công nghiệp hóa của công nghệ laser giây, quá trình xử lý laser siêu nhanh cũng sẽ thể hiện giá trị độc đáo của nó trong nhiều lĩnh vực như truyền thông lượng tử và y sinh học.