Kuigi ülikiireid lasereid on kasutatud juba aastakümneid, on tööstuslikud rakendused viimase kahe aastakümne jooksul kiiresti kasvanud. 2019. aastal oli ülikiirete laserite turuväärtuslasermaterjalTöötlemise maht oli ligikaudu 460 miljonit USA dollarit, mille aastane kasvumäär oli 13%. Rakendusvaldkonnad, kus ülikiireid lasereid on edukalt kasutatud tööstusmaterjalide töötlemiseks, hõlmavad fotomaskide valmistamist ja parandamist pooljuhtide tööstuses, samuti räni kuubikuteks lõikamist, klaasi lõikamist/kirjutamist ja (indiumtinaoksiidi) ITO-kile eemaldamist tarbeelektroonikas, näiteks mobiiltelefonides ja tahvelarvutites, kolbide tekstureerimist autotööstuses, koronaarstentide tootmist ja mikrofluidseadmete tootmist meditsiinitööstuses.
01 Fotomaskide tootmine ja remont pooljuhtide tööstuses
Ülikiireid lasereid kasutati ühes varasemas tööstuslikus materjalitöötluse 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) 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 parandamine
Joonis 2. Erinevate maskimustrite optimeerimise tulemused äärmusliku ultraviolettkiirguse litograafia jaoks
02 Räni lõikamine pooljuhtide tööstuses
Räniplaatide tükeldamine on pooljuhtide tööstuses standardne tootmisprotsess ja seda tehakse tavaliselt mehaanilise tükeldamise abil. Need lõikekettad tekitavad sageli mikropragusid ja õhukeste (nt paksusega < 150 μm) plaatide lõikamine on keeruline. Räniplaatide laserlõikust on pooljuhtide tööstuses kasutatud juba aastaid, eriti õhukeste plaatide (100–200 μm) puhul, ja see toimub mitmes etapis: laseriga soonestamine, millele järgneb mehaaniline eraldamine või varjatud lõikamine (st infrapunase laserkiire lõikamine räni sisse) ja seejärel mehaaniline lindi eraldamine. Nanosekundiline impulsslaser suudab töödelda 15 plaati tunnis ja pikosekundiline laser 23 plaati tunnis, saavutades seejuures kõrgema kvaliteedi.
03 Klaasi lõikamine/graveerimine tarbeelektroonikatööstuses
Mobiiltelefonide ja sülearvutite puutetundlikud ekraanid ja kaitseprillid muutuvad õhemaks ning mõned geomeetrilised kujundid on kõverad. See muudab traditsioonilise mehaanilise lõikamise raskemaks. Tüüpilised laserid annavad tavaliselt halva lõikekvaliteedi, eriti kui need klaasist ekraanid on virnastatud 3-4 kihti ja pealmine 700 μm paksune kaitseklaas on karastatud, mis võib lokaalse pinge tõttu puruneda. Ülikiired laserid on näidanud, et suudavad neid klaase lõigata parema servatugevusega. Suurte lamepaneelide lõikamiseks saab femtosekundilise laseri fokuseerida klaaslehe tagapinnale, kriimustades klaasi sisekülge ilma esipinda kahjustamata. Seejärel saab klaasi mehaaniliste või termiliste vahenditega mööda sälgustatud mustrit purustada.
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 näidanud, et autokolbide tekstuuride femtosekundiline lasertöötlus võib vähendada hõõrdumist kuni 25%, kuna prahti ja õli saab tõhusalt ladustada.
Joonis 4. Automootori kolbide femtosekundiline lasertöötlus mootori jõudluse parandamiseks
05 Koronaarstentide tootmine meditsiinitööstuses
Miljoneid koronaarstente implanteeritakse keha koronaararteritesse, et avada kanal vere voolamiseks muidu hüübinud veresoontesse, päästes igal aastal miljoneid elusid. Koronaarstente valmistatakse tavaliselt metallist (nt roostevabast terasest, nikkel-titaan mälusulamitest või hiljuti koobalt-kroomi sulamist) traatvõrgust, mille tugiposti laius on umbes 100 μm. Võrreldes pika impulsiga laserlõikusega on ülikiirete laserite kasutamise eelised breketite lõikamisel kõrge lõikekvaliteet, parem pinnaviimistlus ja vähem prahti, mis vähendab järeltöötluskulusid.
06 Mikrofluidikaseadmete tootmine meditsiinitööstusele
Mikrofluidikaseadmeid kasutatakse meditsiinitööstuses tavaliselt haiguste testimiseks ja diagnoosimiseks. Neid valmistatakse tavaliselt üksikute osade mikrosissepritsevormimise ja seejärel liimimise või keevitamise teel ühendamise teel. Mikrofluidikaseadmete ülikiire laservalmistamise eeliseks on 3D-mikrokanalite loomine läbipaistvates materjalides, näiteks klaasis, ilma ühenduste vajaduseta. Üks meetod on ülikiire laservalmistamine klaasi sees, millele järgneb märgkeemiline söövitus, ja teine on femtosekundiline laserablatsioon klaasi või plasti sees destilleeritud vees prahi eemaldamiseks. Teine lähenemisviis on kanalite freesimine klaaspinnale ja nende sulgemine klaaskattega femtosekundilise laserkeevituse abil.
Joonis 6. Femtosekundilise laseriga indutseeritud selektiivne söövitamine mikrofluidsete kanalite valmistamiseks klaasmaterjalides.
07 Injektordüüsi mikropuurimine
Femtosekundiline laseriga mikroaukude töötlemine on paljudes kõrgsurveinjektorite turul tegutsevates ettevõtetes asendanud mikroEDM-i tänu suuremale paindlikkusele vooluavade profiilide muutmisel ja lühemale töötlemisajale. Võimalus automaatselt juhtida fookusasendit ja kiire kallet töötleva skaneerimispea kaudu on viinud avaprofiilide (nt tünn, laienev, koonduv, hajuv) disainimiseni, mis võivad soodustada atomiseerimist või läbitungimist põlemiskambris. Puurimisaeg sõltub ablatsioonimahust, puuri paksusega 0,2–0,5 mm ja augu läbimõõduga 0,12–0,25 mm, mis muudab selle tehnika kümme korda kiiremaks kui mikroEDM. Mikropuurimine toimub kolmes etapis, sealhulgas läbivate juhtaukude jämetöötlus ja viimistlemine. Argooni kasutatakse abilaasina, et kaitsta puurauku oksüdeerumise eest ja varjestada lõplikku plasmat algstaadiumis.
Joonis 7. Diiselmootori pihusti ümberpööratud koonilise ava femtosekundiline lasertöötlus
08 Ülikiire lasertekstuurimine
Viimastel aastatel on mikrotöötluse valdkond järk-järgult teadlaste tähelepanu keskpunktis, et parandada töötlemise täpsust, vähendada materjalikahjustusi ja suurendada töötlemise efektiivsust. Ülikiirel laseril on mitmeid töötlemiseeliseid, nagu väike kahjustuste määr ja kõrge täpsus, mis on muutunud töötlemistehnoloogia arendamise edendamise keskpunktiks. Samal ajal saavad ülikiired laserid mõjutada mitmesuguseid materjale ja lasertöötlusmaterjalide kahjustuste tekitamine on samuti peamine uurimissuund. Ülikiire laserit kasutatakse materjalide ablatsiooniks. Kui laseri energiatihedus on kõrgem kui materjali ablatsioonilävi, ilmub ableeritud materjali pinnale teatud omadustega mikro-nano struktuur. Uuringud näitavad, et see eriline pinnastruktuur on materjalide lasertöötlemisel tavaline nähtus. Pinna mikro-nano struktuuride valmistamine võib parandada materjali enda omadusi ja võimaldada ka uute materjalide väljatöötamist. See muudab pinna mikro-nano struktuuride valmistamise ülikiire laseriga tehniliseks meetodiks, millel on oluline arenduslik tähtsus. Praegu saab metallmaterjalide puhul ülikiire laserpinna tekstureerimise uuringutega parandada metallpindade niisutusomadusi, pinna hõõrdumist ja kulumisomadusi, katte adhesiooni ning rakkude suunatud proliferatsiooni ja adhesiooni.
Joonis 8. Laseriga valmistatud ränipinna superhüdrofoobsed omadused
Tipptasemel töötlemistehnoloogiana on ülikiirel lasertöötlusel väikesed kuummõjutsoonid, mittelineaarne materjalidega interaktsioon ja difraktsioonipiiri ületav kõrge eraldusvõimega töötlus. See võimaldab teostada erinevate materjalide kvaliteetset ja ülitäpset mikro-nanotöötlust ning kolmemõõtmeliste mikro-nanostruktuuride valmistamist. Spetsiaalsete materjalide, keerukate struktuuride ja spetsiaalsete seadmete lasertootmine avab uusi võimalusi 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 kolmemõõtmelisi töötlemisvõimalusi, saab femtosekundlaseriga valmistada või integreerida mikrofluidseid ja optofluidseid kiipe, näiteks mikroküttekeha komponente ja kolmemõõtmelisi mikrofluidseid kanaleid; Lisaks saab femtosekundlaseriga valmistada erinevat tüüpi pinna mikro-nanostruktuure, et saavutada peegeldumisvastane, superhüdrofoobne, jäätumisvastane ja muud funktsioonid; lisaks sellele on femtosekundlaserit rakendatud ka biomeditsiini valdkonnas, näidates silmapaistvat jõudlust sellistes valdkondades nagu bioloogilised mikrostendid, rakukultuuri substraadid ja bioloogiline mikroskoopiline pildistamine. Laiad rakendusväljavaated. Praegu laienevad femtosekundlaserite rakendusvaldkonnad aasta-aastalt. Lisaks eespool nimetatud mikrooptikale, mikrofluidikale, multifunktsionaalsetele mikro-nanostruktuuridele ja biomeditsiinitehnika rakendustele mängib see suurt rolli ka mõnes tekkivas valdkonnas, nagu metapindade ettevalmistamine, mikro-nano tootmine ja mitmemõõtmeline optiline teabe salvestamine jne.
Postituse aeg: 17. aprill 2024
