Kuigi ülikiired laserid on olnud kasutusel aastakümneid, on tööstuslikud rakendused viimase kahe aastakümne jooksul kiiresti kasvanud. 2019. aastal ülikiire turuväärtuslasermaterjaltöötlemine oli ligikaudu 460 miljonit USA dollarit, aastane liitkasv oli 13%. Kasutusvaldkonnad, kus ülikiireid lasereid on edukalt kasutatud tööstuslike materjalide töötlemiseks, hõlmavad fotomaskide valmistamist ja parandamist pooljuhtide tööstuses, samuti räni kuubikuteks lõikamist, klaasi lõikamist/kirjutamist ja (indium-tinaoksiidi) ITO-kile eemaldamist olmeelektroonikas, nagu mobiiltelefonid ja tahvelarvutid. , kolvi tekstureerimine autotööstusele, koronaarstentide tootmine ja mikrofluidsete seadmete tootmine meditsiinitööstusele.
01 Fotomaskide tootmine ja remont pooljuhtide tööstuses
Ülikiireid lasereid kasutati materjalide töötlemisel ühes varasemas tööstuslikus rakenduses. IBM teatas femtosekundilise laserablatsiooni rakendamisest fotomaskide tootmisel 1990. aastatel. Võrreldes nanosekundilise laserablatsiooniga, mis võib tekitada metallipritsmeid ja klaasikahjustusi, ei näita femtosekundilised lasermaskid metallipritsmeid, klaasikahjustusi jne. Eelised. Seda meetodit kasutatakse integraallülituste (IC-de) tootmiseks. IC-kiibi tootmine võib nõuda kuni 30 maski ja maksta üle 100 000 dollari. Femtosekundiline lasertöötlus suudab töödelda jooni ja punkte alla 150 nm.
Joonis 1. Fotomaski valmistamine ja remont
Joonis 2. Ekstreemse ultraviolett-litograafia erinevate maskide mustrite optimeerimise tulemused
02 Räni lõikamine pooljuhtide tööstuses
Räniplaatide kuubikuteks lõikamine on pooljuhtide tööstuses tavaline tootmisprotsess ja seda tehakse tavaliselt mehaanilise kuubikutega lõikamise teel. Nendel lõikeketastel tekivad sageli mikropraod ja õhukesi (nt paksus < 150 μm) vahvleid on raske lõigata. Räniplaatide laserlõikamist on pooljuhtide tööstuses kasutatud juba aastaid, eriti õhukeste (100-200 μm) plaatide puhul, ning see toimub mitmes etapis: lasersoonte lõikamine, millele järgneb mehaaniline eraldamine või varjatud lõikamine (st infrapuna laserkiir sees räni kirjutamine), millele järgneb mehaaniline lindi eraldamine. Nanosekundiline impulsslaser suudab töödelda 15 vahvlit tunnis ja pikosekundiline laser 23 vahvlit tunnis, kõrgema kvaliteediga.
03 Klaasi lõikamine/kriipsutamine tarbekaupade elektroonikatööstuses
Mobiiltelefonide ja sülearvutite puuteekraanid ja kaitseprillid muutuvad õhemaks ning mõned geomeetrilised kujundid on kõverad. See muudab traditsioonilise mehaanilise lõikamise keerulisemaks. Tüüpilised laserid toodavad tavaliselt halva lõikekvaliteedi, eriti kui need klaasekraanid on virnastatud 3–4 kihti ja ülemine 700 μm paksune kaitseklaas on karastatud, mis võib lokaalse pinge tõttu puruneda. On näidatud, et ülikiired laserid suudavad neid klaase lõigata parema servatugevusega. Suure lameekraaniga lõikamiseks saab femtosekundilise laseriga fokuseerida klaaslehe tagapinnale, kriimustades klaasi sisemust ilma esipinda kahjustamata. Seejärel saab klaasi purustada mehaaniliste või termiliste vahenditega piki poolitusjoont.
Joonis 3. Pikosekundiline ülikiire laserklaasi erikujuline lõikamine
04 Kolvi tekstuurid autotööstuses
Kerged automootorid on valmistatud alumiiniumisulamitest, mis ei ole nii kulumiskindlad kui malm. Uuringud on leidnud, et autokolbide tekstuuride femtosekundiline lasertöötlus võib vähendada hõõrdumist kuni 25%, kuna prahti ja õli saab tõhusalt säilitada.
Joonis 4. Auto mootori kolbide femtosekundiline lasertöötlus mootori jõudluse parandamiseks
05 Koronaarstentide tootmine meditsiinitööstuses
Miljonid koronaarstentid implanteeritakse keha koronaararteritesse, et avada kanal vere voolamiseks muidu hüübinud veresoontesse, säästes igal aastal miljoneid elusid. Koronaarstentid on tavaliselt valmistatud metallist (nt roostevabast terasest, nikli-titaani kujuga mälusulamist või viimasel ajal koobalti-kroomi sulamist) traatvõrgust, mille tugi laius on ligikaudu 100 μm. Võrreldes pikaimpulsslaseriga lõikamisega on sulgude lõikamiseks ülikiirete laserite kasutamise eelised kõrge lõikekvaliteet, parem pinnaviimistlus ja vähem prahti, mis vähendab järeltöötluskulusid.
06 Mikrofluidsete seadmete tootmine meditsiinitööstusele
Mikrofluidiseadmeid kasutatakse meditsiinitööstuses tavaliselt haiguste testimiseks ja diagnoosimiseks. Tavaliselt valmistatakse need üksikute osade mikrosissepritsevormimise teel ja seejärel liimimise või keevitamise teel. Mikrofluidiliste seadmete ülikiire laservalmistamise eeliseks on 3D-mikrokanalite tootmine läbipaistvates materjalides, näiteks klaasis, ilma ühendusi vajamata. Üks meetod on ülikiire laseriga valmistamine puisteklaasi sees, millele järgneb märg keemiline söövitamine, ja teine meetod on klaasist või plastist destilleeritud vees mustuse eemaldamiseks femtosekundiline laserablatsioon. Teine lähenemisviis on kanalite töötlemine klaaspinda ja nende sulgemine klaaskattega femtosekundilise laserkeevitusega.
Joonis 6. Femtosekundilise laseriga indutseeritud selektiivne söövitamine mikrofluidikanalite ettevalmistamiseks klaasmaterjalides
07 Injektori otsiku mikropuurimine
Femtosekundiline lasermikroauku töötlemine on paljudes kõrgsurvepihustite turu ettevõtetes asendanud mikro-EDM-i tänu suuremale paindlikkusele vooluava profiilide muutmisel ja lühematele töötlemisaegadele. Võime automaatselt juhtida fookuse asendit ja kiire kallet pretseseeriva skaneerimispea kaudu on viinud avaprofiilide (nt silinder, laiendus, konvergents, lahknemine) kujundamiseni, mis võivad soodustada pihustamist või põlemiskambrisse tungimist. Puurimisaeg sõltub ablatsiooni mahust, puuri paksus on 0,2–0,5 mm ja augu läbimõõt 0,12–0,25 mm, mis teeb selle tehnika kümme korda kiiremaks kui mikro-EDM. Mikropuurimine toimub kolmes etapis, sealhulgas läbivate pilootavade töötlemine ja viimistlemine. Argooni kasutatakse abigaasina, et kaitsta puuraugu oksüdatsiooni eest ja varjestada lõpp-plasma algfaasis.
Joonis 7. Diiselmootori pihusti ümberpööratud koonuse ava femtosekundiline laser ülitäpne töötlemine
08 Ülikiire lasertekstuurimine
Viimastel aastatel on töötluse täpsuse parandamiseks, materiaalsete kahjude vähendamiseks ja töötlemise efektiivsuse tõstmiseks mikrotöötluse valdkond järk-järgult muutunud teadlaste tähelepanu keskpunktiks. Ülikiirel laseril on mitmesuguseid töötlemise eeliseid, nagu väike kahjustus ja kõrge täpsus, mis on muutunud töötlemistehnoloogia arendamise edendamiseks. Samal ajal võivad ülikiired laserid toimida mitmesugustele materjalidele ning laseriga töötlemise materjalikahjustused on samuti peamine uurimissuund. Materjalide eemaldamiseks kasutatakse ülikiiret laserit. Kui laseri energiatihedus on kõrgem kui materjali ablatsioonilävi, on ableeritud materjali pinnal teatud omadustega mikro-nano struktuur. Uuringud näitavad, et see eriline pinnastruktuur on tavaline nähtus, mis ilmneb materjalide lasertöötlusel. Pinnapealsete mikro-nanostruktuuride ettevalmistamine võib parandada materjali enda omadusi ja võimaldada ka uute materjalide väljatöötamist. See muudab pinna mikro-nanostruktuuride valmistamise ülikiire laseriga tehniliseks meetodiks, millel on oluline arenduslik tähtsus. Praegu võivad metallmaterjalide puhul ülikiire laserpinna tekstureerimise uuringud parandada metalli pinna niisutamisomadusi, parandada pinna hõõrdumist ja kulumisomadusi, parandada katte adhesiooni ning rakkude suunalist levikut ja adhesiooni.
Joonis 8. Laseriga valmistatud ränipinna superhüdrofoobsed omadused
Tipptasemel töötlemistehnoloogiana on ülikiirel lasertöötlusel väikesed kuumusest mõjutatud tsoonid, materjalidega suhtlemise mittelineaarne protsess ja kõrge eraldusvõimega töötlemine, mis ületab difraktsioonipiiri. See suudab teostada erinevate materjalide kvaliteetset ja ülitäpset mikro-nanotöötlust. ja kolmemõõtmelise mikro-nanostruktuuri valmistamine. Spetsiaalsete materjalide, keeruliste struktuuride ja eriseadmete lasertootmise saavutamine avab uued võimalused mikro-nano tootmiseks. Praegu on femtosekundlaserit laialdaselt kasutatud paljudes tipptasemel teadusvaldkondades: femtosekundlaserit saab kasutada mitmesuguste optiliste seadmete, näiteks mikroläätsede massiivide, biooniliste liitsilmade, optiliste lainejuhtide ja metapindade valmistamiseks; kasutades oma suurt täpsust, kõrget eraldusvõimet ja kolmemõõtmelist töötlemisvõimalust, saab femtosekundiline laser valmistada või integreerida mikrofluidilisi ja optofluidilisi kiipe, nagu mikrosoojendi komponendid ja kolmemõõtmelised mikrofluidikanalid; lisaks võib femtosekundiline laser valmistada ka erinevat tüüpi pinna mikro-nanostruktuure, et saavutada peegeldusvastaseid, peegeldusvastaseid, superhüdrofoobseid, jäätumisvastaseid ja muid funktsioone; mitte ainult, femtosekundi laserit on kasutatud ka biomeditsiini valdkonnas, näidates silmapaistvat jõudlust sellistes valdkondades nagu bioloogilised mikrostendid, rakukultuuri substraadid ja bioloogiline mikroskoopiline pildistamine. Laialdased rakendusväljavaated. Praegu laienevad femtosekundilise lasertöötluse kasutusvaldkonnad aasta-aastalt. Lisaks ülalmainitud mikrooptikale, mikrofluidikale, multifunktsionaalsetele mikro-nanostruktuuridele ja biomeditsiinitehnika rakendustele mängib see tohutut rolli ka mõnes arenevas valdkonnas, näiteks metapinna ettevalmistamisel. , mikro-nano tootmine ja mitmemõõtmeline optilise teabe salvestamine jne.
Postitusaeg: 17. aprill 2024
