تقنية الكتابة المباشرة بالليزر الفيمتو ثانية هي نوع من تكنولوجيا المعالجة النانوية الدقيقة التي يمكنها تركيز شعاع الليزر النبضي على سطح المادة أو داخلها، والتسبب في تغيير في الخصائص المحلية للمادة من خلال التفاعل غير الخطي لليزر مع المادة. المواد في المنطقة البؤرية، والتي تم استخدامها على نطاق واسع في العديد من المجالات مثل الموائع الدقيقة، والضوئيات الدقيقة النانو، والبصريات المتكاملة، وما إلى ذلك. تواجه تقنية الكتابة المباشرة بالليزر الفيمتو ثانية التقليدية مشكلة عدم التماثل بين دقة المعالجة العرضية والدقة المحورية، ومن الواضح أن الدقة المحورية ممدودة، مما يحد من تطبيق ليزر الفيمتو ثانية في المعالجة ثلاثية الأبعاد إلى حد ما. في السنوات الأخيرة، من أجل موازنة الفرق بين الدقة الجانبية والمحورية للكتابة المباشرة بالليزر الفيمتو ثانية، تم اقتراح العديد من تقنيات تشكيل الشعاع، مثل تقنية تشكيل الشق، وتقنية تشكيل الاستجماتيزم، وتقنية التشعيع عبر الشعاع. ومع ذلك، لا يمكن لأي من هذه التقنيات تحقيق معالجة متناحية ثلاثية الأبعاد تعتمد على عدسة موضوعية واحدة.
تم تطوير تقنيات التركيز الزماني المكاني في الأصل لتطبيقات التصوير الحيوي وتم استخدامها في مجال التصنيع الدقيق بالليزر الفيمتو ثانية. توفر تقنية التركيز الزماني المكاني بالليزر الفيمتو ثانية بُعدًا جديدًا للتركيز الزمني، مما يسمح لها بالتفوق في تحسين دقة التصنيع المحوري والقضاء على تأثيرات التركيز الذاتي غير الخطية. آلية تقنية التركيز الزماني المكاني هي كما يلي: يتم تشتيت المكونات الطيفية المختلفة لليزر الفيمتو ثانية مكانيًا من خلال أزواج شبكية، ثم يتم تركيز الضوء المشتت مكانيًا من خلال العدسة الموضوعية، ويتم إعادة تجميع المكونات الطيفية المختلفة عند النقطة البؤرية، ويتم عرض النبضة. يتم استعادته إلى ترتيب الفيمتو ثانية من حيث الحجم.
في الوقت الحاضر، تعتمد معظم الدراسات الحالية حول المعالجة الدقيقة ثلاثية الأبعاد باستخدام التركيز الزماني المكاني بليزر الفيمتو ثانية على عرض النطاق الترددي الواسع، وأشعة الليزر ذات التردد المنخفض للأحجار الكريمة من التيتانيوم، وتردد التكرار المنخفض يقيد سرعة معالجة الليزر، وبالتالي فإن تطبيق تقنية التركيز الزماني المكاني يعد الحصول على مصدر ضوء ليزر الفيمتو ثانية عالي التردد مطلبًا لا مفر منه لتلبية متطلبات المعالجة متباينة الخواص ثلاثية الأبعاد عالية الكفاءة في نفس الوقت. ومع ذلك، فإن عرض النطاق الترددي لمصادر ليزر الفيمتو ثانية عالية التردد يكون عادةً ضيقًا، ويقدم حجم التشتت المكاني عددًا كبيرًا من غردات الوقت السلبية، ولا يستطيع الليزر نفسه توفير تعويض زمني كافٍ، مما يؤدي إلى عدم عرض النبضة عند النقطة البؤرية. القدرة على استعادتها إلى ترتيب الفيمتو ثانية من حيث الحجم، مما يقيد تطبيق تقنية التركيز المكاني والزماني على معالجة الليزر عالي التردد. لذلك، تحتاج المعالجة المتناحية ثلاثية الأبعاد المستندة إلى تقنية التركيز الزماني المكاني بالليزر الفيمتو ثانية عالية التردد إلى توفير تعويض إضافي للوقت.
ويبرز البحوث
تعاون فريق البروفيسور يانغ جيان كاي من جامعة شاندونغ نورمال والبروفيسور يا تشنغ من جامعة شرق الصين نورمال لاقتراح مخطط لتعويض وقت التجويف الإضافي لأشعة الليزر عالية التردد، والذي يحقق كفاءة عالية وتصنيع ثلاثي الأبعاد متناحٍ. استنادًا إلى تقنية التركيز الزماني المكاني لمصادر ضوء ليزر الفيمتو ثانية عالية التردد. في هذا العمل، يتم استخدام موسع نبض مارتينيز المبني خارج الليزر لإدخال عدد كبير من التغريدات الإيجابية للوقت لتوسيع عرض النبضة إلى ترتيب البيكو ثانية من حيث الحجم، ومن ثم التشتت المكاني لضاغط الشبكة أحادي المرور (الصريف زوج) ويضمن تركيز العدسة الموضوعية إعادة تركيب المكونات الطيفية المختلفة عند النقطة البؤرية مع عرض نبضة بترتيب الفيمتو ثانية من حيث الحجم. يظهر النظام التجريبي في الشكل 1.
الشكل 1. رسم تخطيطي لجهاز معالجة متناحٍ ثلاثي الأبعاد يعتمد على تقنية التركيز المكاني والزماني بالليزر الفيمتو ثانية عالية التردد
من المعروف أن تأثير معالجة ليزر الفيمتو ثانية يتأثر باتجاه المعالجة وطاقة النبض وعمق المعالجة، وما إلى ذلك. من أجل التحقق مما إذا كان جهاز التركيز الزماني المكاني لديه القدرة على معالجة متناحية ثلاثية الأبعاد، فريق البروفيسور يانغجيان كاي وفريق البروفيسور تشينغ يا عرض المقطع العرضي البصري للجهاز في اتجاهات مختلفة، وعلى أعماق مختلفة، ومعالجته بواسطة طاقات نبضية مختلفة داخل الزجاج الحساس للضوء (كما هو موضح في الشكل 2). أظهرت النتائج التجريبية أن الدقة على طول اتجاهات مختلفة هي نفسها ودائرية، وأن دقة المعالجة المتناحية ثلاثية الأبعاد (8-22 μm) تتناسب مع طاقة النبض وغير حساسة لعمق المعالجة. تكمن أهمية هذا العمل بشكل أساسي في الجمع بين كفاءة المعالجة العالية ودقة المعالجة المتناحية ثلاثية الأبعاد القابلة للتعديل باستمرار، مما يوفر وسيلة تقنية جديدة للمعالجة بالليزر.
الشكل 2: تأثير الاتجاهات المختلفة وطاقات النبض وأعماق المعالجة على دقة المعالجة لنظام التركيز الزمني.
من أجل إظهار قدرة التصنيع ثلاثي الأبعاد بشكل حدسي أكثر لجهاز التركيز على الزمكان، قام فريق البحث بدمج تقنية التركيز على الزمكان مع طريقة التآكل ما بعد الكيميائي لتصنيع مجموعة متنوعة من هياكل الموائع الدقيقة المتناحية ثلاثية الأبعاد داخل زجاج حساس. بالمقارنة مع المعالجة التقليدية بالليزر، يتمتع الجهاز بمزايا الكفاءة العالية، ودقة المعالجة المتناحية ثلاثية الأبعاد القابلة للتعديل باستمرار، وعدم الحساسية لعمق المعالجة، وما إلى ذلك. ومن المتوقع أن يتم تطبيق نتائج هذا البحث على شريحة ميكروفلويديك ثلاثية الأبعاد، وتصنيع الرقائق الضوئية، بالإضافة إلى الطباعة بالليزر ثلاثية الأبعاد وغيرها من المجالات.
