01Guía de papel
Los materiales transparentes (como el vidrio y el zafiro) son indispensables en la industria y en la investigación-de vanguardia debido a sus excelentes propiedades fisicoquímicas. Sin embargo, sus características de alta dureza y alta banda prohibida han convertido el procesamiento mecánico en un desafío centenario. La llegada de los láseres de femtosegundo ha supuesto una revolución en la modificación interna y el procesamiento de materiales transparentes, pero problemas como la lenta velocidad de procesamiento y la susceptibilidad al daño por tensión siempre han sido obstáculos que limitan sus aplicaciones industriales (como el requisito de 1.000 agujeros por segundo para la fabricación de orificios pasantes-de vidrio). Este artículo presenta un nuevo método para la perforación ultra-de materiales transparentes lograda mediante excitación electrónica transitoria, con velocidades de procesamiento mejoradas un millón de veces en comparación con las técnicas tradicionales de perforación por impacto.
02Resumen del texto completo
El estudio propone una técnica denominada 'Absorción láser selectiva transitoria de Bessel'. En primer lugar, a un láser de picosegundos con distribución gaussiana- se le da forma de haz de Bessel, que puede provocar la formación de canales de excitación de electrones largos y uniformes, o "filamentos láser", con una única incidencia en materiales transparentes. La formación de este canal provoca un cambio instantáneo en las propiedades ópticas del material en la escala de picosegundos a nanosegundos, transformándose de un estado aislante a un estado similar al de un semi-metal, con un aumento dramático en el coeficiente de absorción. Al mismo tiempo, los filamentos del láser absorben de manera eficiente y uniforme energía láser pulsada de microsegundos-de duración, calentando instantáneamente el material dentro del canal hasta el punto de evaporación y eliminación. Este método evita inteligentemente los efectos de protección contra la reflexión del plasma que se observan en el procesamiento láser tradicional de alta-intensidad. En última instancia, en tan solo decenas de microsegundos, se puede crear un orificio pasante-de alta-calidad- con un diámetro de aproximadamente 3,1 micras y una relación de profundidad-a-diámetro de hasta 322 en vidrio de cuarzo de 1 mm de espesor, sin ninguna conicidad ni micro-fisuras.
03Análisis gráfico
La Figura 1 (A) muestra el diseño de la trayectoria óptica, donde un pulso de láser de picosegundo y un pulso de láser de microsegundo se moldean en haces de Bessel respectivamente mediante un prisma axial, luego se combinan coaxialmente a través de un divisor de haz y se enfocan en una muestra de material transparente. La Figura 1 (B) revela el proceso físico durante el mecanizado: Paso uno, el láser de picosegundos induce un canal de excitación de electrones largo y uniforme dentro del material; Paso dos, la energía láser de microsegundos posterior es absorbida selectivamente por este canal, logrando una eliminación instantánea y uniforme del material, formando finalmente un orificio pasante-con una alta relación de aspecto.
La Figura 2 demuestra intuitivamente el mecanismo físico central a través de la tecnología de imágenes de sonda de bomba-. Un pulso de Bessel con un ancho de pulso de 5 ps induce filamentos dentro del vidrio de cuarzo, lo que permite la formación estable de un canal de excitación uniforme de más de 1 mm de longitud en 10 ps. Más importante aún, este canal, que tiene un alto coeficiente de absorción, puede existir de manera estable durante al menos 1,8 ns, mucho más que el tiempo de relajación de la red electrónica-, manteniendo el plasma en un estado de alta-energía y proporcionando condiciones suficientes para la absorción selectiva de pulsos de microsegundos posteriores.
La Figura 3 muestra la morfología del agujero a nivel micro-. En vidrio de cuarzo de 1 mm de espesor, solo se necesitan 20 microsegundos para procesar un orificio pasante-con un diámetro de aproximadamente 3,1 µm, con una relación de profundidad-a-diámetro tan alta como 322. La vista lateral muestra que el canal es recto y sin conicidad, con paredes de orificio lisas que están libres de residuos o microfisuras, lo que demuestra una calidad de procesamiento extremadamente alta. Ajustando la anchura del pulso del láser de microsegundos también se puede ajustar hasta cierto punto el diámetro del orificio.
La Figura 4 demuestra la universalidad y el potencial de aplicación industrial de esta tecnología. Además del vidrio de cuarzo, este método también se ha aplicado con éxito a diversos materiales transparentes de uso común, como el vidrio de borosilicato y el vidrio de cal soda-. Al fijar el láser y utilizar una plataforma móvil de alta-velocidad, es posible lograr una eficiencia ultra-alta de 1000 orificios por segundo, produciendo de manera confiable miles de conjuntos de orificios pasantes-uniformes.
04 Resumen
La investigación de este artículo ha logrado una innovación en el campo del procesamiento láser mediante tecnología de excitación electrónica transitoria. Al separar inteligentemente los dos procesos físicos de "excitación de electrones" y "eliminación de material", y asignándolos a dos pulsos láser coordinados temporalmente de picosegundos y microsegundos, superó con éxito los problemas fundamentales de la baja velocidad y la baja utilización de energía en el procesamiento láser ultrarrápido tradicional, aumentando la eficiencia de la perforación en un millón de veces. Esta tecnología no solo permite la fabricación ultra-rápida, de alta-calidad y alta relación de aspecto a través de-perforaciones en materiales transparentes de un milímetro-de espesor, sino que también demuestra su universalidad en diversos materiales y su inmenso potencial para la producción a gran-escala. Se espera que este avance tenga un profundo impacto en campos como el empaquetado de semiconductores, las aplicaciones biomédicas y la investigación científica-de vanguardia.
