في تطبيقات معالجة المواد التقليدية باستخدام ليزر النبضات الطويلة (ميكروثانية، نانوثانية، إلخ)، يهدف التفاعل بين الليزر والمادة بشكل أساسي إلى تحويل طاقة الليزر إلى حرارة تُذيب المادة وتُبخّرها موضعيًا، مما يُؤدي إلى إزالة المادة. ومع ذلك، في هذه العملية، ونتيجةً لتراكم الحرارة، تتشكل منطقة كبيرة وقوية متأثرة بالحرارة. أما في تطبيقات المعالجة الدقيقة، فتُسبب هذه المنطقة المتأثرة بالحرارة آثارًا سلبية مثل ارتفاع درجة الحرارة والتشوه، وذوبان الحواف، والأكسدة والاسوداد، وبقايا المواد، ونتوءاتها في منطقة معالجة المواد، مما يُؤدي إلى تلف وظيفي أو مظهري غير مقبول، مما لا يُقلل من جودة المنتج وإنتاجيته فحسب، بل يتطلب أيضًا عادةً خطوات تنظيف لاحقة مُرهقة للتخلص من الآثار السلبية وزيادة تكاليف الإنتاج.

1 المفهوم الأساسي لليزر الفيمتوثانية

ليزر الفيمتوثانية هو تقنية ليزر تُنتج نبضات قصيرة للغاية. الفيمتوثانية (fs) هي وحدة زمنية، والفيمتو ثانية واحدة تساوي كوادريليون من الثانية. تتراوح مدة نبضة ليزر الفيمتوثانية عادةً بين بضع فيمتوثانية وبضع مئات من الفيمتوثانية، مما يجعله من أقصر نبضات الليزر المُحصّلة في الظروف التجريبية الحالية. وبصفتها أداة فعّالة في تصنيع ليزرات فائقة السرعة، تُعد ليزرات الفيمتوثانية أيضًا أقصر نبضات ليزر يُمكن الحصول عليها بثبات واستخدامها في التطبيقات الصناعية الحالية.

ميزتان لليزر الفيمتوثانية

بالمقارنة مع الليزر النانوثانية والبيكوثانية الشائعة، فإن خصائص ليزر الفيمتوثانية هي النقاط الثلاث التالية بشكل أساسي: نبضات ليزر الفيمتوثانية لها مدة نبضة قصيرة للغاية (عرض النبضة)، وعادة ما تكون في حدود 10-15 ثانية؛ حتى الضوء لا يمكنه الانتشار إلا لمسافة 0.3 ميكرومتر في غضون 1 فمتوثانية؛ نبضات ليزر الفيمتوثانية لها طاقة ذروة عالية للغاية، والتي يمكن أن تحقق بسهولة 1012 واط، وهو ما يزيد بكثير عن الطاقة الإجمالية لشبكة الطاقة العالمية؛ بعد التركيز، يمكن لنبضات ليزر الفيمتوثانية تشكيل بقعة بؤرية بمقياس الميكرون، ويمكن أن تصل كثافة طاقة الذروة في المنطقة المركزية من البقعة إلى 1020~1022 واط/سم2، والتي يمكن أن تثير مجالات كهرومغناطيسية محلية قوية للغاية. شدة هذا المجال الكهرومغناطيسي المحلي أعلى بعدة مرات من قوة كولومب للنواة المؤثرة على الإلكترونات المحيطة، مما يُدمر الروابط الكيميائية بين ذرات المادة مباشرةً، ويُثير الإلكترونات داخلها فورًا للتأين، مما يُؤدي إلى اندفاع الجسيمات المشحونة إيجابيًا في المادة إلى الخارج على شكل بلازما بسبب تنافر كولومب القوي، مما يُؤدي إلى إزالة المادة. كما هو موضح في الشكل أدناه:

يمكن أن يصل تردد تكرار النبضات في ليزر الفيمتوثانية إلى ميغاهرتز (MHz) أو حتى جيجاهرتز (GHz). يتيح هذا التردد العالي توليد ملايين، بل مليارات، من نبضات الليزر في الثانية، مما يزيد بشكل كبير من سرعة المعالجة. ويُعد هذا الأمر بالغ الأهمية للتطبيقات الصناعية، إذ يُقلل وقت المعالجة بشكل كبير ويُحسّن الإنتاجية مع الحفاظ على الدقة والجودة العاليتين لمعالجة ليزر الفيمتوثانية.

3 تطبيق ليزر الفيمتوثانية

إن الخصائص الممتازة العديدة لتقنية المعالجة فائقة الدقة بليزر الفيمتوثانية تجعلها أداة معالجة لا غنى عنها في مجال التصنيع المتقدم، وتُستخدم على نطاق واسع في الطب الحيوي، والإلكترونيات الدقيقة 

لأشباه الموصلات، والفضاء الجوي، وغيرها من المجالات، مما يوفر دعمًا وحلولًا مهمة لتطوير العلوم والتكنولوجيا الحديثة.

1) من خلال المعالجة الدقيقة لليزر الفيمتوثانية، يمكن تحقيق الاتصال بين القنوات الدقيقة والخارج لضمان التدفق السلس للسوائل.

٢) من خلال المعالجة الدقيقة لليزر الفيمتوثانية، يُمكن تحقيق الاتصال بين القنوات الدقيقة والسطح الخارجي لضمان تدفق سلس للسوائل.

٣) يُعدّ حفر أغشية ترشيح الخلايا بالليزر الفيمتوثانية تقنيةً عمليةً رئيسيةً تُستخدم لإنشاء مصفوفات مسام بأحجام وتوزيعات مسام محددة لتحقيق فصل الخلايا وغربلتها وترشيحها.

٤) في تصنيع القسطرة، يُعدّ حفر وقطع أنابيب الفلترة (Pi) ذا أهمية بالغة. فمن خلال ثقب الثقوب، يُمكن تشكيل مصفوفة ثقوب بقطر وتوزيع مكاني محددين على القسطرة لنقل السوائل أو الغازات.

5) في مجال تصنيع البنية الدقيقة للسطح الوظيفي، يتم استخدام ليزر الفيمتوثانية لمعالجة البنية الدقيقة السطحية النانوية إلى الدقيقة على سطح المواد، مما يمنح المواد بعض الوظائف الخاصة، ويمكن تحقيق

 تبديل الوظيفة عن طريق تعديل مورفولوجيا البنية الدقيقة للسطح، مثل البلل الذاتي الفائق للماء، والتنظيف الذاتي الفائق للماء، وامتصاص الموجات ومضاد الانعكاس، ومضاد للبكتيريا ومضاد للفيروسات، ولون 

السطح.