มหาวิทยาลัยโตเกียวในญี่ปุ่น|การเจาะด้วยเลเซอร์ที่รวดเร็วเป็นพิเศษ-ของวัสดุโปร่งใสผ่านการกระตุ้นทางอิเล็กทรอนิกส์ชั่วคราว

01คู่มือกระดาษ

วัสดุโปร่งใส (เช่น แก้วและแซฟไฟร์) เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในอุตสาหกรรมและการวิจัยที่ก้าวล้ำ{0}}เนื่องมาจากคุณสมบัติทางเคมีกายภาพที่ดีเยี่ยม อย่างไรก็ตาม ความแข็งสูงและคุณลักษณะ bandgap สูงทำให้การประมวลผลทางกลกลายเป็นความท้าทายที่มีมานานนับศตวรรษ- การเกิดขึ้นของเลเซอร์เฟมโตวินาทีได้นำมาซึ่งการปฏิวัติในการปรับเปลี่ยนภายในและการประมวลผลวัสดุโปร่งใส แต่ปัญหาต่างๆ เช่น ความเร็วในการประมวลผลที่ช้าและความไวต่อความเสียหายจากความเครียด มักเป็นปัญหาคอขวดที่จำกัดการใช้งานทางอุตสาหกรรม (เช่น ข้อกำหนด 1,000 รูต่อวินาทีสำหรับแก้วที่ผ่าน-การผลิตรู) บทความนี้แนะนำวิธีการใหม่สำหรับการเจาะวัสดุโปร่งใสที่รวดเร็วเป็นพิเศษ- ซึ่งทำได้โดยการกระตุ้นทางอิเล็กทรอนิกส์ชั่วคราว โดยมีความเร็วในการประมวลผลเพิ่มขึ้นล้านเท่าเมื่อเทียบกับเทคนิคการเจาะกระแทกแบบดั้งเดิม

02ภาพรวมของข้อความฉบับเต็ม

การศึกษาเสนอเทคนิคที่เรียกว่า 'การดูดกลืนแสงเลเซอร์แบบเลือกสรรของ Bessel' ประการแรก เลเซอร์พิโควินาทีแบบกระจายแบบเกาส์-ถูกสร้างเป็นลำแสง Bessel ซึ่งสามารถกระตุ้นการก่อตัวของช่องกระตุ้นอิเล็กตรอนที่ยาวสม่ำเสมอหรือ 'เส้นใยเลเซอร์' โดยมีอุบัติการณ์เพียงครั้งเดียวในวัสดุโปร่งใส การก่อตัวของช่องนี้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทันทีในคุณสมบัติทางแสงของวัสดุในระดับพิโควินาทีถึงนาโนวินาที โดยเปลี่ยนจากฉนวนไปเป็นสถานะที่คล้ายกับของโลหะกึ่ง- โดยมีสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงเพิ่มขึ้นอย่างมาก ในเวลาเดียวกัน เส้นใยเลเซอร์จะดูดซับพลังงานเลเซอร์พัลส์ยาวระดับไมโครวินาที-ได้อย่างมีประสิทธิภาพและสม่ำเสมอ ซึ่งจะทำให้วัสดุภายในช่องร้อนขึ้นทันทีจนถึงจุดระเหยและกำจัดออก วิธีการนี้จะหลีกเลี่ยงเอฟเฟกต์การสะท้อนของพลาสมาที่พบในการประมวลผลด้วยเลเซอร์ความเข้มสูง-แบบดั้งเดิมได้อย่างชาญฉลาด ท้ายที่สุด ในเวลาเพียงสิบไมโครวินาที คุณสามารถสร้าง-รูทะลุ-คุณภาพสูงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 3.1 ไมครอน และอัตราส่วนความลึก-ถึง-เส้นผ่านศูนย์กลางสูงสุด 322 สามารถสร้างได้ในแก้วควอทซ์หนา 1 มม. โดยไม่มีรูปทรงกรวยหรือรอยแตกขนาดจิ๋ว

03การวิเคราะห์กราฟิก

รูปที่ 1 (A) แสดงการออกแบบเส้นทางแสง โดยที่พัลส์ของเลเซอร์พิโควินาทีและพัลส์ของเลเซอร์ไมโครวินาทีถูกสร้างเป็นลำแสง Bessel ตามลำดับโดยปริซึมตามแนวแกน จากนั้น-รวมกันในแกนผ่านตัวแยกลำแสงและมุ่งเน้นไปที่ตัวอย่างวัสดุโปร่งใส รูปที่ 1 (B) เผยให้เห็นกระบวนการทางกายภาพระหว่างการตัดเฉือน: ขั้นตอนที่หนึ่ง เลเซอร์พิโควินาทีจะกระตุ้นให้เกิดช่องกระตุ้นอิเล็กตรอนที่ยาวและสม่ำเสมอภายในวัสดุ ขั้นตอนที่สอง พลังงานเลเซอร์ระดับไมโครวินาทีที่ตามมาจะถูกดูดซับอย่างเฉพาะเจาะจงโดยช่องนี้ ทำให้ได้การกำจัดวัสดุที่สม่ำเสมอและทันทีทันใด และท้ายที่สุดก็กลายเป็นรูทะลุ-ที่มีอัตราส่วนกว้างยาวสูง

รูปที่ 2 สาธิตกลไกทางกายภาพหลักอย่างสังหรณ์ใจผ่านเทคโนโลยีการถ่ายภาพด้วยโพรบ-ของปั๊ม พัลส์ Bessel ที่มีความกว้างพัลส์ 5 ps กระตุ้นให้เกิดเส้นใยภายในแก้วควอตซ์ ทำให้เกิดการสร้างช่องกระตุ้นที่สม่ำเสมอที่มีความยาวมากกว่า 1 มม. ภายใน 10 ps ที่สำคัญกว่านั้น ช่องนี้ซึ่งมีค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงสูง สามารถคงอยู่ได้อย่างน้อย 1.8 ns ซึ่งนานกว่าเวลาผ่อนคลายของตาข่าย-ของอิเล็กตรอนมาก ทำให้พลาสมาอยู่ในสถานะพลังงานสูง- และให้สภาวะที่เพียงพอสำหรับการดูดซึมแบบเลือกสรรของพัลส์ไมโครวินาทีที่ตามมา

รูปที่ 3 แสดงสัณฐานวิทยาของรูระดับจุลภาค- ในแก้วควอทซ์หนา 1 มม. ใช้เวลาเพียง 20 ไมโครวินาทีในการประมวลผลรูทะลุ-ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 3.1 µm โดยมีอัตราส่วนความลึก-ถึง-เส้นผ่านศูนย์กลางสูงถึง 322 มุมมองด้านข้างแสดงให้เห็นว่าช่องนั้นตรงและไม่มีเรียว โดยมีผนังรูเรียบที่ปราศจากเศษหรือรอยแตกขนาดเล็ก ซึ่งแสดงให้เห็นถึงคุณภาพการประมวลผลที่สูงมาก ด้วยการปรับความกว้างพัลส์ของเลเซอร์ไมโครวินาที ทำให้สามารถปรับเส้นผ่านศูนย์กลางของรูได้ในระดับหนึ่ง

รูปที่ 4 แสดงให้เห็นถึงความเป็นสากลและศักยภาพในการประยุกต์ทางอุตสาหกรรมของเทคโนโลยีนี้ นอกจากแก้วควอตซ์แล้ว วิธีการนี้ยังประสบความสำเร็จในการนำไปใช้กับวัสดุโปร่งใสต่างๆ ที่ใช้กันทั่วไป เช่น แก้วบอโรซิลิเกตและโซดา-แก้วมะนาว การติดตั้งเลเซอร์และการใช้แพลตฟอร์มที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง- ทำให้สามารถบรรลุประสิทธิภาพสูงสุด-ที่ 1,000 หลุมต่อวินาที ทำให้เกิดหลุมที่สม่ำเสมอหลายพันหลุมผ่าน- หลุมอาร์เรย์ได้อย่างน่าเชื่อถือ

04 สรุป

การวิจัยในบทความนี้ประสบความสำเร็จในด้านนวัตกรรมในด้านการประมวลผลด้วยเลเซอร์ผ่านเทคโนโลยีการกระตุ้นแบบอิเล็กทรอนิกส์ชั่วคราว ด้วยการแยกกระบวนการทางกายภาพสองกระบวนการอย่างชาญฉลาด ได้แก่ 'การกระตุ้นอิเล็กตรอน' และ 'การกำจัดวัสดุ' อย่างชาญฉลาด และกำหนดให้กระบวนการทั้งสองเป็นพัลส์เลเซอร์ที่ประสานกันชั่วคราวในหน่วยพิโควินาทีและไมโครวินาที ทำให้สามารถเอาชนะปัญหาพื้นฐานของความเร็วต่ำและการใช้พลังงานต่ำในการประมวลผลด้วยเลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษแบบดั้งเดิม ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการเจาะได้ล้านเท่า เทคโนโลยีนี้ไม่เพียงแต่ช่วยให้มีคุณภาพ-รวดเร็ว สูง-และมีอัตราส่วนกว้างยาวสูงเป็นพิเศษผ่าน-การผลิตรูในหน่วยมิลลิเมตร-วัสดุโปร่งใสที่มีความหนา แต่ยังแสดงให้เห็นถึงความเป็นสากลของวัสดุต่างๆ และศักยภาพอันยิ่งใหญ่สำหรับการผลิตขนาดใหญ่- ความก้าวหน้าครั้งนี้คาดว่าจะมีผลกระทบอย่างมากในสาขาต่างๆ เช่น บรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ การใช้งานทางชีวการแพทย์ และ-การวิจัยทางวิทยาศาสตร์ที่ล้ำสมัย