01Papiergeleider
Transparante materialen (zoals glas en saffier) zijn onmisbaar in de industrie en baanbrekend{0}}onderzoek vanwege hun uitstekende fysisch-chemische eigenschappen. Door hun hoge hardheid en grote bandafstand is mechanische verwerking echter een eeuwenoude uitdaging geworden. De komst van femtosecondelasers heeft een revolutie teweeggebracht in de interne modificatie en verwerking van transparante materialen, maar kwesties als een trage verwerkingssnelheid en de gevoeligheid voor spanningsschade zijn altijd knelpunten geweest die hun industriële toepassingen beperkten (zoals de vereiste van 1000 gaten per seconde voor de productie van glas door- gaten). Dit artikel introduceert een nieuwe methode voor het ultra-snel boren van transparante materialen, bereikt door transiënte elektronische excitatie, waarbij de verwerkingssnelheid een miljoen keer hoger is dan die van traditionele klopboortechnieken.
02Overzicht van de volledige tekst
In de studie wordt een techniek voorgesteld die 'Bessel transiënte selectieve laserabsorptie' wordt genoemd. Ten eerste wordt een Gaussische-gedistribueerde picosecondelaser gevormd tot een Bessel-straal, die de vorming van lange, uniforme elektronenexcitatiekanalen of 'laserfilamenten' kan stimuleren, met een enkele inval in transparante materialen. De vorming van dit kanaal veroorzaakt een onmiddellijke verandering in de optische eigenschappen van het materiaal op de schaal van picoseconden tot nanoseconden, waardoor het transformeert van een isolator naar een toestand die lijkt op die van een halfmetaal, met een dramatische toename van de absorptiecoëfficiënt. Tegelijkertijd absorberen de laserfilamenten efficiënt en uniform microseconden-lang gepulseerde laserenergie, waardoor het materiaal in het kanaal onmiddellijk wordt verwarmd tot het punt van verdamping en verwijdering. Deze methode vermijdt op slimme wijze de plasmareflectie-afschermingseffecten die te zien zijn bij traditionele laserverwerking met hoge intensiteit. Uiteindelijk kan in slechts tientallen microseconden een doorvoergat van hoge kwaliteit- met een diameter van ongeveer 3,1 micron en een diepte-tot-diameterverhouding van maximaal 322 worden gemaakt in kwartsglas van 1 mm dik, zonder enige coniciteit of micro-scheuren.
03Grafische analyse
Figuur 1 (A) toont het ontwerp van het optische pad, waarbij een puls van een picosecondelaser en een puls van een microsecondelaser door een axiaal prisma respectievelijk tot Bessel-bundels worden gevormd, vervolgens co-axiaal gecombineerd door een bundelsplitser en gefocusseerd op een transparant materiaalmonster. Figuur 1 (B) toont het fysieke proces tijdens de bewerking: Stap één: de picosecondelaser induceert een lang en uniform elektronenexcitatiekanaal in het materiaal; Stap twee: de daaropvolgende microseconde-laserenergie wordt selectief geabsorbeerd door dit kanaal, waardoor een onmiddellijke en uniforme verwijdering van het materiaal wordt bereikt, waardoor uiteindelijk een doorgaand-gat met een hoge aspectverhouding ontstaat.
Figuur 2 demonstreert op intuïtieve wijze het fysieke kernmechanisme via pomp-sonde-beeldvormingstechnologie. Een Bessel-puls met een pulsbreedte van 5 ps induceert filamenten in het kwartsglas, waardoor de stabiele vorming van een uniform excitatiekanaal van meer dan 1 mm lang binnen 10 ps mogelijk wordt gemaakt. Belangrijker nog is dat dit kanaal, dat een hoge absorptiecoëfficiënt heeft, stabiel kan bestaan gedurende ten minste 1,8 ns, veel langer dan de relaxatietijd van het elektronenrooster, waardoor het plasma in een hoge- energietoestand wordt gehouden en voldoende omstandigheden worden geboden voor de selectieve absorptie van daaropvolgende microsecondepulsen.
Figuur 3 toont de morfologie van gaten op micro-niveau. In kwartsglas van 1 mm dik kost het slechts 20 microseconden om een doorgaand-gat met een diameter van ongeveer 3,1 µm te verwerken, met een diepte-tot-diameterverhouding van wel 322. Het zijaanzicht laat zien dat het kanaal recht en zonder tapsheid is, met gladde gatwanden die vrij zijn van vuil of microscheuren, wat een extreem hoge verwerkingskwaliteit aantoont. Door de pulsbreedte van de microsecondelaser aan te passen, kan tot op zekere hoogte ook de gatdiameter worden aangepast.
Figuur 4 toont de universaliteit en het industriële toepassingspotentieel van deze technologie aan. Naast kwartsglas is deze methode ook met succes toegepast op verschillende veelgebruikte transparante materialen zoals borosilicaatglas en natronkalkglas. Door de laser te bevestigen en een bewegend platform met hoge-snelheid te gebruiken, is het mogelijk een ultra-hoge efficiëntie van 1000 gaten per seconde te bereiken, waardoor op betrouwbare wijze duizenden uniforme arrays met door- gaten worden geproduceerd.
04 Samenvatting
Het onderzoek in dit artikel heeft geleid tot een innovatie op het gebied van laserverwerking door middel van transiënte elektronische excitatietechnologie. Door op een slimme manier de twee fysieke processen van 'elektronenexcitatie' en 'materiaalverwijdering' te scheiden, en ze toe te wijzen aan twee in de tijd gecoördineerde laserpulsen van picoseconden en microseconden, overwon het met succes de fundamentele problemen van lage snelheid en laag energieverbruik bij traditionele ultrasnelle laserverwerking, waardoor de boorefficiëntie met een miljoen keer werd verhoogd. Deze technologie maakt niet alleen de ultra-snelle, hoge- kwaliteit en hoge beeldverhouding mogelijk door de -productie van gaten in millimeter- dikke transparante materialen, maar demonstreert ook de universaliteit ervan voor verschillende materialen en het enorme potentieel voor productie op grote- schaal. Deze doorbraak zal naar verwachting een diepgaande impact hebben op gebieden als halfgeleiderverpakkingen, biomedische toepassingen en baanbrekend-wetenschappelijk onderzoek.
