Na manufatura avançada moderna, os lasers não são mais apenas ferramentas de corte—são instrumentos físicos que operam em escalas de tempo específicas. À medida que os materiais de engenharia evoluem do silício e aço para safira, diamante, cerâmica, semicondutores de banda larga e ligas de alta temperatura, a duração do pulso de um laser se torna o fator dominante que determina a qualidade do usinagem.

Dois regimes de pulso dominam o processamento industrial a laser hoje:
lasers de nanosegundos (ns) e lasers de picossegundos (ps).
Sua diferença não é incremental—representa uma mudança fundamental na forma como a matéria é removida.

1. Lasers de nanosegundos: remoção de material dominada pelo calor

Os lasers de nanosegundos normalmente operam com larguras de pulso entre 1 e 100 ns. Nesta escala de tempo, a interação laser–matéria segue um caminho térmico clássico:

Absorção de fótons → excitação de elétrons → aquecimento da rede → fusão → vaporização → resolidificação

Em outras palavras, o material é removido por fusão e ebulição.

Este mecanismo funciona bem para corte e soldagem macroscópicos, mas introduz sérias limitações na micro-usinagem de precisão, especialmente para materiais frágeis ou ultra-duros. O longo tempo de interação permite que o calor se difunda na rede circundante, produzindo:

• Uma zona afetada pelo calor (ZAC)

• Camadas de refundição do material fundido

• Tensão térmica e microfissuras

Ao usinar safira, rubi, diamante, cerâmica ou SiC, os lasers de nanosegundos geralmente causam lascamento de bordas, rachaduras, paredes de furos ásperas e perda de controle dimensional—defeitos que são inaceitáveis em dispositivos ópticos, semicondutores e micro-mecânicos.

2. Lasers de picossegundos: entrando no regime de ablação não térmica

Os lasers de picossegundos operam com larguras de pulso de 1–50 ps—três ordens de magnitude mais curtas do que os sistemas de nanosegundos. Essa duração é menor do que o tempo característico necessário para a transferência de energia de elétrons excitados para a rede cristalina.

Como resultado, o laser deposita sua energia antes que o calor possa se formar.

A interação se torna:

Absorção de fótons → ionização ultrarrápida → formação de plasma → quebra de ligação → ejeção direta de material

Este processo é conhecido como ablação atérmica (ou “fria”). O material não é fundido—é desintegrado fisicamente na escala atômica.

Isso leva a resultados dramaticamente diferentes:

Para materiais ultra-duros e frágeis, os lasers de picossegundos fornecem um nível de controle que os lasers de nanosegundos simplesmente não conseguem alcançar.

3. Por que a microperfuração expõe a verdadeira diferença

Na engenharia moderna, um “furo” não é mais apenas uma abertura—é uma estrutura funcional. Microfuros são usados em:

• Canais de gás semicondutores e TSVs

• Aberturas ópticas e matrizes de microlentes

• Sistemas de mancais de ar e mancais de fluido

• Bicos de precisão e canais de resfriamento

Esses furos geralmente têm diâmetros de apenas alguns mícrons e devem manter tolerâncias apertadas em relação à arredondamento, profundidade e integridade da borda. Mesmo alguns mícrons de dano térmico podem destruir o desempenho.

Como os lasers de nanosegundos dependem da fusão, eles lutam para produzir tais estruturas em safira, diamante, cerâmica ou SiC sem induzir rachaduras ou distorções. Os lasers de picossegundos, por outro lado, removem o material por meio de ablação não térmica, permitindo microestruturas funcionais em escala micrométrica.

4. Por que a usinagem industrial de picossegundos é um problema de sistema

A vantagem dos lasers de picossegundos não vem apenas do laser—depende de todo o sistema de movimento, controle e óptico. A micro-usinagem de picossegundos de nível industrial requer:

• Movimento sincronizado de vários eixos

• Precisão de posicionamento em nível de mícron

• Caminhos de ferramentas programáveis (código G ou baseado em CAD)

• Alinhamento e monitoramento óptico em tempo real

As plataformas modernas de microperfuração de picossegundos integram controle de movimento de quatro eixos, sistemas de visão CCD de alta ampliação e controle digital do diâmetro, profundidade e forma do furo. Esses recursos permitem que as vantagens físicas dos pulsos de picossegundos sejam traduzidas em capacidade de fabricação repetível em nível de produção.

5. Conclusão: a escala de tempo define os limites da fabricação

A diferença entre os lasers de nanosegundos e picossegundos não é simplesmente a velocidade—é se o material é removido por calor ou por física ultrarrápida.

À medida que a engenharia avança em direção à ótica de safira, ferramentas de diamante, componentes de cerâmica e substratos semicondutores de banda larga, o processamento térmico atinge seus limites. Os lasers de picossegundos representam a transição da usinagem baseada em calor para a estruturação de materiais de precisão não térmica.

Nesse sentido, o processamento a laser de picossegundos não é apenas uma ferramenta melhor—é um novo regime físico para a própria fabricação.