In der Geschichte der menschlichen Wissenschaft und Technik kann die Geburt der Lasertechnologie als Revolution in der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie bezeichnet werden. Von Einstein, der 1917 die Theorie der stimulierten Strahlung vorschlug, bis hin zu Maiman, der 1960 den ersten Rubinlaser entwickelte, drang diese Technologie in nur einem halben Jahrhundert in verschiedene Bereiche wie Industrie, medizinische Versorgung, Kommunikation und Militär ein und wurde zur zentralen Triebkraft für die Entwicklung der modernen Gesellschaft. Als ikonische Technologie auf dem Gebiet der Optoelektronik definieren Laser nicht nur die Anwendungsgrenzen von „Licht“ neu, sondern zeigen auch unbegrenztes Potenzial in Spitzenbereichen wie intelligenter Fertigung, Biowissenschaften und Weltraumforschung.
TEIL 01
Die Natur des Lasers
Das Wesen des Lasers ist die Lichtverstärkung stimulierter Strahlung (LASER). Basierend auf Einsteins Quantentheorie wird durch den synergistischen Effekt von aktivierten Medien (wie Gas, Kristall), Pumpquelle (Energieinjektion) und optischem Resonanzhohlraum die Teilchenzahl umgekehrt und verstärkt. Feste Photonen bilden einen hochkohärenten (Phasen-, Frequenz- und Richtungskonsistent), extrem monochromatischen (schmales Spektrum), ausgezeichnete Richtwirkung (kleiner Divergenzwinkel) und extrem hellen Strahl und bieten eine zentrale Lichtquellenunterstützung für moderne Technologien wie Kommunikation, Fertigung, Medizin und andere Bereiche. Aufgrund seiner Beschaffenheit ist der Laser die einzige Lichtquelle, die die Anforderungen an hohe Präzision, hohe Energie und hohe Steuerbarkeit gleichzeitig erfüllen kann. Es bildet die physikalische Grundlage für Glasfaserkommunikation (optischer Träger), Präzisionsfertigung (Lichtmesser), medizinische Chirurgie (nicht-invasive Behandlung), Quantentechnologie (einzelne Photonenquelle) und Gravitationswellenerkennung (Interferometer) usw. und verändert die moderne Technologie und Industriestruktur völlig.
TEIL 02
Anwendung von Laser im Kommunikationsbereich
Der Hauptvorteil der Lasertechnologie liegt in ihren „vier hohen“ Eigenschaften: hohe Richtwirkung (der Strahldivergenzwinkel beträgt nur Milliradian), hohe Monochromatizität (die Wellenlängenreinheit erreicht 10^-6 Nanometer), hohe Helligkeit (zig Milliarden Mal so viel Helligkeit wie Sonnenlicht) und hohe Kohärenz (die perfekte Einheit von räumlicher und zeitlicher Kohärenz). Diese Eigenschaften haben zur Entstehung von drei großen technischen Zweigen auf dem Gebiet der Optoelektronik geführt.
Das erste ist Informations-Optoelektronik, der „Lichtgeschwindigkeitskanal“ für Datenströme, das zweite ist Bio-Optoelektronik: die „Antenne des Lichts“ der Biowissenschaften, und das dritte ist Energie-Optoelektronik: die „Lichtklinge“ für präzise Steuerung. Im Folgenden stellen wir hauptsächlich dieses präzisionsgefertigte „leichte Messer“ vor.
Als Energieträger kann der Laser eine präzise Materialbearbeitung im Mikrometerbereich-ermöglichen. In der industriellen Fertigung untergräbt es das traditionelle mechanische Bearbeitungsmodell mit seinen Vorteilen wie der berührungslosen Bearbeitung und der kleinen Wärmeeinflusszone. Und es ist anpassungsfähiger an die höheren Anforderungen neuer Materialien für die Präzisionsfertigung.
TEIL 03
Vorteile der Laserbearbeitung
Das Laser-„Lichtmesser“ verändert das Fertigungsparadigma der modernen Industrie mit seinen Vorteilen hoher Präzision, hoher Effizienz und hoher Anpassungsfähigkeit:
Bei der Bearbeitung von superharten Materialien schmilzt oder verdampft der Laser das Material direkt, indem er einen Strahl mit hoher -Energie-dichte fokussiert (der Punktdurchmesser kann nur 10 μm betragen), wodurch eine kontaktlose Bearbeitung erreicht wird und Risse oder Verformungen durch mechanische Beanspruchung vermieden werden. Bei der Verarbeitung neuer Materialien kann es bei der Bearbeitung spröder Materialien durch die herkömmliche mechanische Bearbeitung leicht zu Mikrorissen kommen. Beim Laserschneiden kann die Laserleistungsdichte durch Steuerung der Laserleistungsdichte (104-10 Grad W/cm²) und der Scangeschwindigkeit (20–80 mm/s) gesteuert werden, wodurch ein spanfreies Schneiden mit einer Aperturgenauigkeit von ±2 μm erreicht wird.
Für die Laserbearbeitung von Halbleitermaterialien (z. B. Siliziumwafern) wird ein Femtosekundenlaser verwendet, um eine modifizierte Schicht innerhalb des Wafers zu bilden, und das verbindende chemische Ätzen ermöglicht ein spanfreies Schneiden mit einem Schnittfugenverlust von nur 5 μm, was die Miniaturisierungsentwicklung integrierter Schaltkreise unterstützt.
