In moderne geavanceerde fabricage zijn lasers niet langer alleen maar snijgereedschappen—het zijn fysieke instrumenten die op specifieke tijdschalen werken. Naarmate technische materialen evolueren van silicium en staal naar saffier, diamant, keramiek, wide-bandgap halfgeleiders en hoogtemperatuurlegeringen, wordt de pulsduur van een laser de dominante factor die de bewerkingskwaliteit bepaalt.

Twee pulsregimes domineren vandaag de industriële laserbewerking:
nanoseconde (ns) lasers en picoseconde (ps) lasers.
Hun verschil is niet incrementeel—het vertegenwoordigt een fundamentele verandering in hoe materie wordt verwijderd.

1. Nanoseconde lasers: warmte-gedomineerde materiaalverwijdering

Nanoseconde lasers werken typisch met pulsbreedtes tussen 1 en 100 ns. Op deze tijdschaal volgt de laser–materie interactie een klassiek thermisch pad:

Fotonabsorptie → electronenexcitatie → roosterverwarming → smelten → verdamping → herversteviging

Met andere woorden, het materiaal wordt verwijderd door smelten en koken.

Dit mechanisme werkt goed voor macroscopisch snijden en lassen, maar het introduceert ernstige beperkingen in precisie microbewerking, vooral voor brosse of ultra-harde materialen. De lange interactietijd zorgt ervoor dat warmte in het omringende rooster diffundeert, wat het volgende produceert:

• Een warmte-beïnvloede zone (HAZ)

• Hergegoten lagen van gesmolten materiaal

• Thermische spanning en micro-scheuren

Bij het bewerken van saffier, robijn, diamant, keramiek of SiC veroorzaken nanoseconde lasers vaak randafbrokkeling, scheuren, ruwe gatenwanden en verlies van dimensionale controle—defecten die onacceptabel zijn in optische, halfgeleider- en micro-mechanische apparaten.

2. Picoseconde lasers: het betreden van het niet-thermische ablatie regime

Picoseconde lasers werken met pulsbreedtes van 1–50 ps—drie ordes van grootte korter dan nanoseconde systemen. Deze duur is korter dan de karakteristieke tijd die nodig is voor energieoverdracht van geëxciteerde elektronen naar het kristalrooster.

Als gevolg daarvan zet de laser zijn energie af voordat warmte zich kan vormen.

De interactie wordt:

Fotonabsorptie → ultrasnelle ionisatie → plasmavorming → verbreken van bindingen → directe materiaaluitstoting

Dit proces staat bekend als athermal (of “koud”) ablatie. Het materiaal smelt niet—het wordt fysiek gedisintegreerd op atomair niveau.

Dit leidt tot dramatisch verschillende resultaten:

Voor ultra-harde en brosse materialen bieden picoseconde lasers een niveau van controle dat nanoseconde lasers simpelweg niet kunnen bereiken.

3. Waarom micro-boren het echte verschil blootlegt

In moderne engineering is een “gat” niet langer alleen een opening—het is een functionele structuur. Micro-gaten worden gebruikt in:

• Halfgeleider gaskanalen en TSV's

• Optische openingen en micro-lens arrays

• Luchtlager- en vloeistoflagersystemen

• Precisie nozzles en koelkanalen

Deze gaten hebben vaak diameters van slechts een paar micron en moeten nauwe toleranties behouden in rondheid, diepte en randintegriteit. Zelfs een paar micron thermische schade kan de prestaties vernietigen.

Omdat nanoseconde lasers afhankelijk zijn van smelten, worstelen ze om dergelijke structuren in saffier, diamant, keramiek of SiC te produceren zonder scheuren of vervormingen te veroorzaken. Picoseconde lasers daarentegen verwijderen materiaal door niet-thermische ablatie, waardoor echte micron-schaal functionele micro-structuren mogelijk worden.

4. Waarom industriële picoseconde bewerking een systeemprobleem is

Het voordeel van picoseconde lasers komt niet alleen van de laser—het hangt af van het hele bewegings-, controle- en optische systeem. Industriële picoseconde microbewerking vereist:

• Multi-as gesynchroniseerde beweging

• Micron-niveau positioneringsnauwkeurigheid

• Programmeerbare gereedschapspaden (G-code of CAD-gebaseerd)

• Real-time optische uitlijning en monitoring

Moderne picoseconde micro-booreenheden integreren vier-assige bewegingscontrole, CCD-visionsystemen met hoge vergroting en digitale controle van gatdiameter, diepte en vorm. Deze functies stellen de fysieke voordelen van picoseconde pulsen in staat om te worden vertaald in herhaalbare, productieniveau fabricagecapaciteit.

5. Conclusie: tijdschaal definieert de grenzen van de fabricage

Het verschil tussen nanoseconde en picoseconde lasers is niet alleen snelheid—het is of materiaal wordt verwijderd door warmte of door ultrasnelle fysica.

Naarmate de engineering zich beweegt in de richting van saffier optiek, diamantgereedschap, keramische componenten en wide-bandgap halfgeleider substraten, bereikt thermische verwerking zijn grenzen. Picoseconde lasers vertegenwoordigen de overgang van warmtegebaseerde bewerking naar niet-thermische precisie materiaalstructurering.

In die zin is picoseconde laserbewerking niet alleen een beter gereedschap—het is een nieuw fysiek regime voor de fabricage zelf.