В современной передовой промышленности лазеры больше не просто инструменты для резки — это физические приборы, работающие в определенных временных масштабах. По мере того, как инженерные материалы эволюционируют от кремния и стали к сапфиру, алмазу, керамике, широкозонным полупроводникам и высокотемпературным сплавам, длительность импульса лазера становится доминирующим фактором, определяющим качество обработки.

Сегодня в промышленной лазерной обработке доминируют два импульсных режима:
наносекундные (нс) лазеры и пикосекундные (пс) лазеры.
Их различие не является постепенным — оно представляет собой фундаментальное изменение в способе удаления материала.

1. Наносекундные лазеры: удаление материала, основанное на нагреве

Наносекундные лазеры обычно работают с шириной импульса от 1 до 100 нс. В этом временном масштабе взаимодействие лазера с веществом следует классическому тепловому пути:

Поглощение фотонов → возбуждение электронов → нагрев решетки → плавление → испарение → затвердевание

Другими словами, материал удаляется путем плавления и кипения.

Этот механизм хорошо работает для макроскопической резки и сварки, но он вносит серьезные ограничения в прецизионную микрообработку, особенно для хрупких или сверхтвердых материалов. Длительное время взаимодействия позволяет теплу распространяться в окружающую решетку, вызывая:

• Зону термического влияния (HAZ)

• Переплавленные слои из расплавленного материала

• Термическое напряжение и микротрещины

При обработке сапфира, рубина, алмаза, керамики или SiC наносекундные лазеры часто вызывают сколы краев, растрескивание, шероховатость стенок отверстий и потерю контроля над размерами — дефекты, которые неприемлемы в оптических, полупроводниковых и микромеханических устройствах.

2. Пикосекундные лазеры: вход в режим нетепловой абляции

Пикосекундные лазеры работают с шириной импульса 1–50 пс — на три порядка короче, чем наносекундные системы. Эта длительность короче, чем характерное время, необходимое для переноса энергии от возбужденных электронов к кристаллической решетке.

В результате лазер передает свою энергию до того, как может образоваться тепло.

Взаимодействие становится таким:

Поглощение фотонов → сверхбыстрая ионизация → образование плазмы → разрыв связей → прямое выброс материала

Этот процесс известен как атермическая (или «холодная») абляция. Материал не плавится — он физически разрушается на атомном уровне.

Это приводит к кардинально другим результатам:

Для сверхтвердых и хрупких материалов пикосекундные лазеры обеспечивают уровень контроля, которого наносекундные лазеры просто не могут достичь.

3. Почему микросверление раскрывает реальную разницу

В современной инженерии «отверстие» больше не просто отверстие — это функциональная структура. Микроотверстия используются в:

• Полупроводниковых газовых каналах и TSV

• Оптических апертурах и массивах микролинз

• Системах воздушных и жидкостных подшипников

• Прецизионных соплах и каналах охлаждения

Эти отверстия часто имеют диаметр всего несколько микрон и должны поддерживать жесткие допуски по округлости, глубине и целостности краев. Даже несколько микрон термического повреждения могут разрушить производительность.

Поскольку наносекундные лазеры полагаются на плавление, им трудно создавать такие структуры в сапфире, алмазе, керамике или SiC без образования трещин или искажений. Пикосекундные лазеры, напротив, удаляют материал посредством нетепловой абляции, обеспечивая создание функциональных микроструктур в истинном микронном масштабе.

4. Почему промышленная пикосекундная обработка — это системная проблема

Преимущество пикосекундных лазеров исходит не только от самого лазера — оно зависит от всей системы движения, управления и оптики. Промышленная пикосекундная микрообработка требует:

• Многоосевого синхронизированного движения

• Точности позиционирования на уровне микрон

• Программируемых траекторий инструмента (G-код или на основе CAD)

• Оптического выравнивания и мониторинга в реальном времени

Современные платформы пикосекундного микросверления интегрируют четырехосевое управление движением, системы машинного зрения CCD с высоким увеличением и цифровое управление диаметром, глубиной и формой отверстия. Эти функции позволяют преобразовать физические преимущества пикосекундных импульсов в повторяемые производственные возможности.

5. Заключение: временной масштаб определяет пределы производства

Разница между наносекундными и пикосекундными лазерами заключается не просто в скорости — а в том, удаляется ли материал за счет нагрева или за счет сверхбыстрой физики.

По мере того, как инженерия переходит к сапфировой оптике, алмазным инструментам, керамическим компонентам и подложкам из широкозонных полупроводников, термическая обработка достигает своих пределов. Пикосекундные лазеры представляют собой переход от обработки, основанной на нагреве, к нетепловому прецизионному структурированию материала.

В этом смысле пикосекундная лазерная обработка — это не просто лучший инструмент — это новый физический режим для самого производства.