초고속 레이저란?

정의

초고속 레이저는 펄스 폭이 피코2nd 수준(10-12s) 이하 또는 그 이내인 초강력 초단 펄스 레이저의 한 유형으로, 에너지 출력 파형을 기준으로 정의됩니다. 이 정의는 "초고속 현상"과 관련이 있습니다. 초고속 현상은 물질의 미시적 시스템에서 빠르게 변화하는 물리적, 화학적 또는 생물학적 과정에서 발생하는 현상을 말합니다. 원자 및 분자 시스템에서 원자와 분자의 운동 시간 척도는 피코초에서 펨토초 수준입니다. 예를 들어, 분자 회전 주기는 피코초 수준이고 진동 주기는 펨토초 수준입니다. 레이저 펄스 폭이 피코2nd 또는 펨토초 수준에 도달하면 분자의 전체 열 운동에 대한 영향을 크게 피할 수 있으며(분자의 열 운동은 물질 온도의 미시적 본질임) 분자 진동의 시간 척도에서 물질을 생성합니다. 영향을 미치지 않으므로 처리 목적을 달성하는 동안 열 효과가 크게 감소합니다.

유형

레이저의 분류 방법은 여러 가지가 있는데, 그 중에서 가장 흔히 쓰이는 분류 방법은 4가지이다. 작동 물질에 따른 분류, 에너지 출력 파형(작동 모드)에 따른 분류, 출력 파장(색상)에 따른 분류, 전력에 따른 분류이다.

그 중 레이저는 에너지 출력 파형에 따라 연속 레이저, 펄스 레이저, 준연속 레이저로 구분할 수 있다.

연속 레이저

작업 시간 동안 안정적인 에너지 파형을 지속적으로 출력하는 레이저입니다. 고출력이 특징이며 금속판과 같이 부피가 크고 녹는점이 높은 재료를 처리할 수 있습니다.

펄스 레이저

그것은 펄스 형태로 에너지를 출력합니다. 펄스 폭에 따라 밀리초 레이저, 마이크로초 레이저, 나노초 셧다운 디바이스, 피코초 레이저, 펨토초 레이저, 아토초 레이저로 더 나눌 수 있습니다. 예를 들어 펄스 레이저의 경우 출력 레이저의 펄스 폭이 2~2ns 사이인 경우 나노초 레이저라고 부르고 그 이하도 있습니다. 피코초 레이저, 펨토초 레이저, 아토초 레이저, 초고속 레이저라고 부릅니다. 펄스 레이저의 출력은 연속 레이저보다 훨씬 낮지만 처리 정확도는 연속 레이저보다 높으며 일반적으로 펄스 폭이 좁을수록 처리 정확도가 높아집니다.

준연속파 레이저

일정 기간 내에 상대적으로 높은 에너지의 레이저를 반복적으로 출력할 수 있으며, 이론상으로는 펄스 레이저이기도 합니다.

위의 3개 레이저의 에너지 출력 파형은 "듀티 사이클" 매개변수로 설명할 수도 있습니다. 레이저의 경우 듀티 사이클은 펄스 사이클 내의 총 시간에 대한 레이저 에너지 출력 시간의 비율로 해석할 수 있습니다.

CW 레이저 듀티 사이클(=1) > 준 CW 레이저 듀티 사이클 > 펄스 레이저 듀티 사이클. 일반적으로 펄스 레이저의 펄스 폭이 좁을수록 듀티 사이클이 낮아집니다.

재료 가공 분야에서 펄스 레이저는 처음에는 연속 레이저의 과도기적 산물이었습니다. 이는 초기 단계의 핵심 구성 요소의 지지력 및 기술 수준과 같은 요인의 영향으로 인해 연속 레이저의 출력 전력이 매우 높을 수 없고 재료를 녹는점까지 가열할 수 없기 때문입니다. 위의 내용은 가공 목적을 달성합니다. 특정 기술적 수단을 사용하여 레이저의 출력 에너지를 단일 펄스에 집중시키면 레이저의 총 전력은 변하지 않지만 펄스 시점의 순간 전력이 크게 증가하여 재료 가공 요구 사항을 충족합니다. 나중에 연속 레이저 기술이 점차 성숙해지면서 펄스 레이저가 가공 정확도에 큰 이점이 있음을 발견했습니다. 이는 펄스 레이저의 재료에 대한 열 효과가 작고 레이저 펄스 폭이 좁을수록 열 효과가 작고 가공된 재료의 가장자리가 매끄러울수록 해당 가공 정확도가 높아지기 때문입니다.

구성 요소들

초고속 레이저의 핵심 요구 사항 2가지: 높은 안정성 초단 펄스와 높은 펄스 에너지. 일반적으로 초단 펄스는 모드 잠금 기술을 사용하여 얻을 수 있으며, 높은 펄스 에너지는 CPA 증폭 기술을 사용하여 얻을 수 있습니다. 관련 핵심 구성 요소에는 발진기, 스트레처, 증폭기 및 압축기가 포함됩니다. 그 중에서도 발진기 및 증폭기 기술이 가장 어렵고 초고속 레이저 제조 회사의 핵심 기술이기도 합니다.

발진기

발진기에서는 모드 잠금 기술을 사용해 초고속 레이저 펄스를 얻습니다.

들것

스트레처는 펨토2번째 시드 펄스를 시간에 따라 서로 다른 파장만큼 늘립니다.

증폭기

이 늘어난 펄스에 최대 에너지를 공급하기 위해 휘핑 증폭기가 사용됩니다.

압축기

압축기는 다양한 구성 요소의 증폭된 스펙트럼을 모아 펨토초 폭으로 복원함으로써 순간 전력이 매우 높은 펨토초 레이저 펄스를 형성합니다.

어플리케이션

나노2nd, 밀리2nd 레이저와 비교하면 초고속 레이저의 전체 출력은 낮지만 재료 분자 진동의 시간 척도에 직접 작용하기 때문에 진정한 의미의 '냉간 가공'을 실현하여 가공 정확도가 크게 향상됩니다.

고출력 연속 레이저, 비초고속 펄스 레이저 및 초고속 레이저는 특성이 다르기 때문에 하류 응용 분야에서 큰 차이가 있습니다.

고출력 연속 레이저(및 준연속 레이저)는 절단, 소결에 사용됩니다. 용접, 표면 클래딩, 드릴링, 3D 금속소재의 인쇄.

비초고속 펄스 레이저는 비금속 재료의 표시, 실리콘 재료의 가공에 사용됩니다. 정밀 조각 금속 표면 가공, 금속 표면 세척, 금속 정밀 용접, 금속 미세 가공.

초고속 레이저는 유리, PET, 사파이어와 같은 투명한 재료와 단단하고 부서지기 쉬운 재료의 절단 및 용접에 사용됩니다. 정밀 마킹, 안과 수술, 재료의 미세 수동화 및 에칭.

사용 관점에서 볼 때, 고출력 CW 레이저와 초고속 레이저는 상호 대체 관계가 거의 없습니다. 그들은 축과 핀셋과 같으며, 그 크기에는 각자의 장단점이 있습니다. 비초고속 펄스 레이저의 하류 응용 분야는 연속 레이저 및 초고속 레이저와 약간 중복됩니다. 실제 결과에서 동일한 응용 분야에서 그 출력은 연속 레이저만큼 좋지 않고 정확도는 초고속 레이저만큼 좋지 않습니다. 더 두드러지는 것은 비용 성능입니다.

특히 나노2nd 자외선 레이저는 펄스 폭이 피코2nd 수준에는 미치지 못하지만 다른 컬러 나노2nd 레이저에 비해 가공 정확도가 크게 향상되어 3C 제품의 가공 및 제조에 널리 사용되고 있습니다. 앞으로 초고속 레이저 비용이 감소함에 따라 나노2nd 자외선 시장을 차지할 수 있습니다.

초고속 레이저는 실제로 콜드 프로세싱을 실현하고 정밀 가공에 상당한 이점이 있습니다. 초고속 레이저의 생산 기술이 점차 성숙함에 따라 비용이 점차 감소합니다. 미래에는 의학 생물학, 항공 우주, 가전 제품, 조명 디스플레이, 에너지 환경, 정밀 기계 및 기타 하류 산업에서 널리 사용될 것으로 예상됩니다.

의료 미용

초고속 레이저는 의료용 안과 수술 장비 및 미용 기기에 사용할 수 있습니다. 펨토2nd 레이저는 근시 수술에 사용되며 파면수차 기술에 이어 "굴절 수술의 또 다른 혁명"으로 알려져 있습니다. 근시 환자의 눈 축은 정상적인 눈 축보다 크기 때문에 안구 이완 상태에서 눈의 굴절계에 의해 굴절된 평행 광선의 초점이 망막 앞에 떨어집니다. 펨토2nd 레이저 수술은 축 방향 치수의 과도한 근육을 제거하고 축 방향을 정상으로 회복할 수 있습니다. 펨토2nd 레이저 수술은 높은 정확도, 높은 안전성, 높은 안정성, 짧은 수술 시간 및 높은 편안함의 장점이 있으며 가장 주류를 이루는 근시 수술 방법 중 하나가 되었습니다.

미용 측면에서 초고속 레이저는 색소와 선천적 점을 제거하고, 문신을 제거하고, 피부 노화를 개선하는 데 사용할 수 있습니다.

가전제품

초고속 레이저는 가전제품 제조 공정에서 단단하고 취성 있는 투명 소재 가공, 박막 가공, 정밀 마킹 등에 적합합니다. 휴대전화 강화 유리와 사파이어는 가전제품 원료에서 대표적인 단단하고 취성 있는 투명 소재이며, 특히 사파이어는 경도가 높고 취성이 높아 기존 가공 방법의 효율성과 수율이 매우 낮습니다. 사파이어는 현재 널리 사용되고 있습니다. 스마트 워치, 휴대전화 카메라 커버, 지문 모듈 커버 등에 널리 사용되고 있습니다. 나노2차 자외선 레이저와 초고속 레이저는 현재 사파이어를 절단하는 주요 기술 수단이며 초고속 레이저의 가공 효과는 자외선 나노2차 레이저보다 우수합니다. 또한 카메라 모듈과 지문 모듈에서 사용하는 가공 방법은 주로 나노2차와 피코2차 레이저입니다. 유연한 휴대전화 화면(폴더블 화면)을 절단하고 해당 3D 미래에는 유리 드릴링의 주류 기술이 초고속 레이저가 될 가능성이 가장 높습니다.

초고속 레이저는 패널 제조에도 중요한 응용 분야가 있습니다. 초고속 레이저는 OLED 편광판 절단, LCD/OLED 제조 중 필링 및 수리에 사용할 수 있습니다.

OLED의 경우, 그 폴리머 재료는 특히 열 영향에 민감합니다. 또한 현재 제작되는 셀의 크기와 간격이 매우 작고 남은 가공 크기도 매우 작습니다. 예전과 같은 전통적인 다이 커팅 공정은 더 이상 오늘날에 적합하지 않습니다. 산업의 생산 요구 사항과 이제는 전통적인 공예의 능력을 넘어서는 특수 모양의 스크린과 천공 스크린에 대한 응용 프로그램 요구 사항이 있습니다. 이런 식으로 초고속 레이저의 이점이 반영되는데, 특히 열 영향 영역이 작고 곡선 가공과 같은 보다 유연한 응용 분야에 더 적합한 피코2nd 자외선 또는 펨토2nd 레이저가 있습니다.

마이크로 용접

유리와 같은 투명한 고체 매질의 경우, 초단 펄스 레이저가 매질에서 전파될 때 비선형 흡수, 용융 손상, 플라스마 형성, 절삭, 파이버 전파와 같은 다양한 현상이 발생합니다. 이 그림은 서로 다른 전력 밀도와 시간 척도에서 초단 펄스 레이저와 고체 물질 간의 상호 작용에서 발생하는 다양한 현상을 보여줍니다.

초단펄스 레이저 마이크로용접 기술은 중간층을 삽입할 필요가 없고, 고효율, 고정밀도, 거시적 열적 효과가 없으며, 마이크로용접 처리 후 비교적 이상적인 기계적, 광학적 특성을 갖기 때문에 유리와 같은 투명 재료의 마이크로용접에 매우 적합합니다. 예를 들어, 연구자들은 70fs, 250kHz 펄스를 사용하여 표준 및 마이크로구조 광섬유에 엔드캡을 성공적으로 용접했습니다.

디스플레이 조명

디스플레이 조명 분야에서 초고속 레이저의 적용은 주로 LED 웨이퍼의 스크라이빙 및 절단을 말합니다. 이는 초고속 레이저가 단단하고 취성 있는 재료를 가공하는 데 적합한 또 다른 예입니다. 초고속 레이저 가공은 단면 평탄도가 높고 모서리 칩핑이 상당히 감소합니다. 효율성과 정확도가 크게 향상됩니다.

태양광 에너지

초고속 레이저는 광전지 제조에 광범위한 적용 공간을 가지고 있습니다. 예를 들어, CIGS 박막 전지 제조에서 초고속 레이저는 원래의 기계적 스크라이빙 공정을 대체하고 스크라이빙의 품질을 크게 개선할 수 있으며, 특히 P2 및 P3 스크라이빙 링크의 경우 거의 깨짐이 없고 균열 및 잔류 응력이 없습니다.

항공우주

터빈 블레이드의 성능과 사용 수명을 개선하고 엔진의 성능을 개선하기 위해서는 공기막 냉각 기술을 채택해야 하며, 이는 공기막 홀 가공 기술에 대한 매우 높은 요구 사항을 제시합니다. 2018년, 시안 광학기계 연구소는 중국에서 가장 높은 단일 펄스 에너지를 개발했습니다. 26와트 산업용 펨토2 파이버 레이저와 일련의 초고속 레이저 극한 제조 장비를 개발하여 항공 엔진 터빈 블레이드의 공기막 홀 "냉간 가공"에서 돌파구를 마련하여 국내 격차를 메웠습니다. 이 가공 방법은 EDM보다 더 발전되어 있으며 방법의 정확도가 높고 수율이 크게 향상되었습니다.

초고속 레이저는 섬유 강화 복합 재료의 정밀 가공에도 적용될 수 있으며, 가공 정확도가 향상되면 항공우주 및 기타 첨단 분야에서 탄소 섬유와 같은 복합 재료의 적용이 확대되는 데 도움이 될 것입니다.

연구 분야

2광자중합기술(2PP)은 "나노광학" 3D 인쇄 방식은 광경화 고속 프로토타입 기술과 유사하며 미래학자인 Christopher Barnatt는 이 기술이 주류 형태가 될 수 있다고 믿습니다. 3D 미래의 인쇄. 2광자 중합 기술의 원리는 "펨토2펄스 레이저"를 사용하여 감광성 수지를 선택적으로 경화하는 것입니다. 광경화 빠른 프로토타입 제작처럼 들리지만 차이점은 2광자 중합 기술이 달성할 수 있는 최소 층 두께와 XY 축 분해능이 100nm에서 200nm 사이라는 것입니다. 즉, 2PP 3D 인쇄 기술은 기존의 광경화 성형 기술보다 수백 배 더 정확하며, 인쇄물은 박테리아보다 더 작습니다.

현재 초고속 레이저의 가격은 여전히 비교적 비쌉니다. 업계의 선구자로서, STYLECNC 이미 초고속 레이저 가공 장비를 생산하고 있으며 좋은 시장 피드백을 얻었습니다. 초고속 레이저 기술을 기반으로 한 OLED 모듈용 레이저 정밀 절단 장비, 초고속(피코초/펨토초) 레이저 마킹 장비, 피코2nd 적외선 디스플레이 스크린용 유리 챔퍼링 레이저 가공 장비, 피코2nd 적외선 유리 웨이퍼가 출시되었습니다. 레이저 절단 장비, LED 자동 보이지 않는 다이싱 머신, 반도체 웨이퍼 레이저 커팅 머신, 지문 인식 모듈용 유리 커버 절단 장비, 플렉시블 디스플레이 양산 라인 및 일련의 초고속 레이저 제품.

찬반 양론

장점

초고속 레이저는 레이저 분야의 중요한 개발 방향 중 하나입니다. 신흥 기술로서 정밀 마이크로 가공에 상당한 이점이 있습니다. 초고속 레이저에서 생성된 초단 펄스는 매우 짧은 시간 동안 재료와 상호 작용하며 주변 재료에 열을 전달하지 않으므로 초고속 레이저 가공을 콜드 가공이라고도 합니다. 이는 레이저 펄스 폭이 피코2 또는 펨토2 수준에 도달하면 분자 열 운동에 대한 영향을 크게 피할 수 있어 열 영향이 적기 때문입니다.

예를 들어, 우리가 둔한 주방 칼로 보존 계란을 자르면 보존 계란을 잘게 자르는 경우가 많습니다. 엉망진창을 빠르게 자르는 특히 날카로운 칼날을 가진 절단 방법을 선택하면 보존 계란이 고르고 아름답게 잘릴 것입니다. 그것이 매우 빠른 것의 장점입니다.

단점

집적회로나 패널과 같은 첨단 제조산업에서는 레이저 가공 장비에 대한 요구 사항이 매우 높으며, 기술적 혁신이 기대에 미치지 못할 위험이 있습니다.

초고속 레이저의 가격이 비싼 데다, 새로운 레이저 공급업체로 전환하면 레이저 장비 제조업체와 하위 사용자 모두가 예상대로 시장을 확대하지 못할 위험이 있습니다.