Στην σύγχρονη προηγμένη κατασκευή, τα λέιζερ δεν είναι πλέον απλά εργαλεία κοπής· είναι φυσικά όργανα που λειτουργούν σε συγκεκριμένες χρονικές κλίμακες.Καθώς τα μηχανικά υλικά εξελίσσονται από το πυρίτιο και το χάλυβα σε ζαφείριΗ διάρκεια των παλμών ενός λέιζερ γίνεται ο κυρίαρχος παράγοντας που καθορίζει την ποιότητα της επεξεργασίας.

Δύο καθεστώτα παλμών κυριαρχούν σήμερα στην βιομηχανική επεξεργασία λέιζερ:
Λάιζερ νανοδευτερολέπτου (ns) και λέιζερ μικροδευτερολέπτου (ps).
Η διαφορά τους δεν είναι αυξητική· αντιπροσωπεύει μια θεμελιώδη αλλαγή στον τρόπο με τον οποίο αφαιρείται η ύλη.

1Νανόλεπτα λέιζερ: αφαίρεση υλικού με κυριαρχία θερμότητας

Τα λέιζερ νανοδευτερολέπτου λειτουργούν συνήθως με πλάτους παλμών μεταξύ 1 και 100 ns. Σε αυτή την χρονική κλίμακα, η αλληλεπίδραση λέιζερ-ύλης ακολουθεί ένα κλασικό θερμικό μονοπάτι:

Απορρόφηση φωτονίων → διέγερση ηλεκτρονίων → θέρμανση πλέγματος → τήξη → εξατμίωση → επανασυσσωμάτωση

Με άλλα λόγια, το υλικό αφαιρείται με τήξη και βρασμό.

Αυτός ο μηχανισμός λειτουργεί καλά για μακροσκοπική κοπή και συγκόλληση, αλλά εισάγει σοβαρούς περιορισμούς στην ακριβή μικροεπεξεργασία, ειδικά για εύθραυστα ή υπερ-σκληρά υλικά.Ο μακρύς χρόνος αλληλεπίδρασης επιτρέπει τη διάχυση της θερμότητας στο γύρω πλέγμα, που παράγει:

• Ζώνη θερμότητας (HAZ)

• Επαναχρηματοποιημένα στρώματα από λιωμένο υλικό

• Θερμική πίεση και μικροσκέπασματα

Κατά την επεξεργασία σαφείρου, ρουμπίνι, διαμαντιού, κεραμικής ή SiC, τα νανοδευτερολεπτά λέιζερ συχνά προκαλούν θραύσματα, ρωγμές, τραχύ τείχος τρύπων,και απώλεια ελέγχου των διαστάσεων, ημιαγωγούς και μικρομηχανικές συσκευές.

2Πικολεπτά λέιζερ: εισόδου στο μη θερμικό καθεστώς αφαίρεσης

Τα λέιζερ μικροδευτερολέπτου λειτουργούν σε πλάτους παλμών 1 ∆50 σπ 3 τάξεις μεγέθους μικρότερα από τα συστήματα νανοδευτερολέπτου.Αυτή η διάρκεια είναι μικρότερη από το χαρακτηριστικό χρόνο που απαιτείται για τη μεταφορά ενέργειας από τα διεγερμένα ηλεκτρόνια στο κρυστάλλινο πλέγμα.

Ως αποτέλεσμα, το λέιζερ αποθηκεύει την ενέργειά του πριν δημιουργηθεί θερμότητα.

Η αλληλεπίδραση γίνεται:

Απορρόφηση φωτονίων → υπερταχεία ιονισμός → σχηματισμός πλάσματος → ρήξη δεσμού → άμεση εκτόξευση υλικού

Η διαδικασία αυτή είναι γνωστή ως αθερμική (ή "ψυχρή") αφαίρεση.

Αυτό οδηγεί σε δραματικά διαφορετικά αποτελέσματα:

Για υπερσκληρά και εύθραυστα υλικά, τα λέιζερ μικροδευτερολέπτου παρέχουν ένα επίπεδο ελέγχου που τα λέιζερ νανοδευτερολέπτου απλά δεν μπορούν να φτάσουν.

3Γιατί η μικροτρύπανση αποκαλύπτει την πραγματική διαφορά

Στη σύγχρονη μηχανική, μια τρύπα δεν είναι πλέον απλά ένα άνοιγμα, είναι μια λειτουργική δομή.

• Ημιαγωγούς αγωγούς αερίου και TSV

• Οπτικά ανοίγματα και συστοιχίες μικροαντηλίκων

• Συστήματα υποδομής αέρα και υποδομής υγρών

• Σφουγγαρίσματα ακριβείας και κανάλια ψύξης

Αυτές οι τρύπες έχουν συχνά διάμετρο λίγων μόνο μικρών και πρέπει να διατηρούν αυστηρές ανοχές σε στρογγυλοτητα, βάθος και ακεραιότητα άκρων.

Επειδή τα νανοδευτερολεπτά λέιζερ βασίζονται στην τήξη, δυσκολεύονται να παράγουν τέτοιες δομές σε ζαφείρι, διαμάντι, κεραμικά ή SiC χωρίς να προκαλούν ρωγμές ή στρεβλώσεις.Απομάκρυνση υλικού μέσω μη θερμικής απομάκρυνσης, επιτρέποντας πραγματικές λειτουργικές μικροδομές σε μικροκλίμακα.

4. Γιατί η βιομηχανική επεξεργασία σε μικροδευτερόλεπτα είναι ένα πρόβλημα συστήματος

Το πλεονέκτημα των λέιζερ μικροδευτερολέπτων δεν προέρχεται από το μόνο λέιζερ· εξαρτάται από ολόκληρη την κίνηση, τον έλεγχο και το οπτικό σύστημα.

• Πολυάξια συγχρονισμένη κίνηση

• Ακριβότητα θέσης σε επίπεδο μικρών

• Προγραμματιζόμενες διαδρομές εργαλείων (κωδικός G ή βασισμένες σε CAD)

• Οπτική ευθυγράμμιση και παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο

Οι σύγχρονες πλατφόρμες μικροτρυπάνισης μικροδευτερολέπτων ενσωματώνουν έλεγχο κίνησης τεσσάρων άξων, συστήματα οπτικής απεικόνισης CCD υψηλής μεγέθυνσης και ψηφιακό έλεγχο της διάμετρου, του βάθους και του σχήματος της τρύπας.Αυτά τα χαρακτηριστικά επιτρέπουν τα φυσικά πλεονεκτήματα των παλμών του πικοδευτερολέπτου να μεταφραστούν σε επαναληπτά, ικανότητα παραγωγής σε επίπεδο παραγωγής.

5Συμπέρασμα: η χρονική κλίμακα καθορίζει τα όρια της παραγωγής

Η διαφορά μεταξύ των λέιζερ νανοδευτερολέπτου και μικροδευτερολέπτου δεν είναι απλώς η ταχύτητα· είναι αν το υλικό αφαιρείται με θερμότητα ή με υπερταχύτητα φυσικής.

Καθώς η μηχανική προχωρά προς την οπτική ζαφείρι, τα εργαλεία διαμαντιού, τα κεραμικά εξαρτήματα και τα υποστρώματα ημιαγωγών ευρείας ζώνης, η θερμική επεξεργασία φτάνει στα όριά της.Τα λέιζερ μικροδευτερολέπτου αντιπροσωπεύουν τη μετάβαση από τη θερμική επεξεργασία στην μη θερμική δομή υλικών ακριβείας.

Με αυτή την έννοια, η επεξεργασία λέιζερ picosecond δεν είναι μόνο ένα καλύτερο εργαλείο, είναι ένα νέο φυσικό καθεστώς για την ίδια την κατασκευή.