Lai gan īpaši ātrie lāzeri pastāv jau vairākus gadu desmitus, pēdējo divu desmitgažu laikā ir strauji pieaudzis rūpnieciskais pielietojums. 2019. gadā ultrafast tirgus vērtībalāzera materiālsapstrādes apjoms bija aptuveni 460 miljoni ASV dolāru, un saliktais gada pieauguma temps bija 13%. Pielietojuma jomas, kurās īpaši ātrie lāzeri ir veiksmīgi izmantoti rūpniecisko materiālu apstrādei, ir fotomasku izgatavošana un remonts pusvadītāju rūpniecībā, kā arī silīcija griešana, stikla griešana un (indija alvas oksīda) ITO plēves noņemšana plaša patēriņa elektronikā, piemēram, mobilajos tālruņos un planšetdatoros. , virzuļu teksturēšana automobiļu rūpniecībai, koronāro stentu ražošana un mikrofluidisko ierīču ražošana medicīnas nozarei.
01 Fotomasku ražošana un remonts pusvadītāju rūpniecībā
Īpaši ātrie lāzeri tika izmantoti vienā no agrākajiem rūpnieciskajiem lietojumiem materiālu apstrādē. IBM ziņoja par femtosekundes lāzera ablācijas pielietošanu fotomasku ražošanā 1990. gados. Salīdzinot ar nanosekundes lāzera ablāciju, kas var radīt metāla šļakatas un stikla bojājumus, femtosekundes lāzermaskas neuzrāda metāla šļakatas, stikla bojājumus utt. Priekšrocības. Šo metodi izmanto integrēto shēmu (IC) ražošanai. IC mikroshēmas ražošanai var būt nepieciešamas līdz 30 maskām, un tā maksās > 100 000 USD. Femtosekundes lāzera apstrāde var apstrādāt līnijas un punktus zem 150 nm.
1. attēls. Fotomasku izgatavošana un remonts
2. attēls. Dažādu masku modeļu optimizācijas rezultāti ekstremālai ultravioletajai litogrāfijai
02 Silīcija griešana pusvadītāju rūpniecībā
Silīcija plāksnīšu griešana kubiņos ir standarta ražošanas process pusvadītāju rūpniecībā, un to parasti veic, izmantojot mehānisku griešanas kubiņos. Šajos griešanas ritenīšos bieži veidojas mikroplaisas un ir grūti sagriezt plānas (piemēram, biezums < 150 μm) vafeles. Silīcija plāksnīšu lāzergriešana pusvadītāju rūpniecībā ir izmantota daudzus gadus, īpaši plānām plāksnēm (100-200 μm), un to veic vairākos posmos: lāzera rievošana, kam seko mehāniska atdalīšana vai slepena griešana (ti, infrasarkanais lāzera stars iekšpusē silīcija uzraksts), kam seko mehāniska lentes atdalīšana. Nanosekundes impulsa lāzers var apstrādāt 15 vafeles stundā, un pikosekundu lāzers var apstrādāt 23 vafeles stundā ar augstāku kvalitāti.
03 Stikla griešana/skrāpēšana patērējamo elektronikas nozarē
Skārienekrāni un aizsargbrilles mobilajiem tālruņiem un klēpjdatoriem kļūst plānāki, un dažas ģeometriskas formas ir izliektas. Tas apgrūtina tradicionālo mehānisko griešanu. Tipiski lāzeri parasti rada sliktu griezuma kvalitāti, it īpaši, ja šie stikla displeji ir sakrauti 3–4 slāņos un augšējais 700 μm biezais aizsargstikls ir rūdīts, kas var saplīst ar lokālu spriegumu. Ir pierādīts, ka īpaši ātrie lāzeri spēj sagriezt šīs brilles ar labāku malu stiprību. Liela plakana paneļa griešanai femtosekundes lāzeru var fokusēt uz stikla loksnes aizmugurējo virsmu, skrāpējot stikla iekšpusi, nesabojājot priekšējo virsmu. Pēc tam stiklu var salauzt, izmantojot mehāniskus vai termiskus līdzekļus, izmantojot līniju.
3. attēls. Pikosekundes īpaši ātra lāzera stikla īpašas formas griešana
04 Virzuļu faktūras automobiļu rūpniecībā
Vieglie automašīnu dzinēji ir izgatavoti no alumīnija sakausējumiem, kas nav tik nodilumizturīgi kā čuguns. Pētījumos atklāts, ka automašīnu virzuļu faktūru apstrāde ar lāzeru femtosekundē var samazināt berzi līdz pat 25%, jo var efektīvi uzglabāt gružus un eļļu.
4. attēls. Automobiļu dzinēju virzuļu lāzera apstrāde ar femtosekundi, lai uzlabotu dzinēja veiktspēju
05 Koronāro stentu ražošana medicīnas nozarē
Miljoniem koronāro stentu tiek implantēti ķermeņa koronārajās artērijās, lai atvērtu kanālu asinīm ieplūst citādi sarecētos traukos, katru gadu izglābjot miljoniem dzīvību. Koronāros stentus parasti izgatavo no metāla (piem., nerūsējošā tērauda, niķeļa-titāna formas atmiņas sakausējuma vai nesen kobalta-hroma sakausējuma) stiepļu sieta ar statņa platumu aptuveni 100 μm. Salīdzinot ar garu impulsu lāzergriešanu, īpaši ātro lāzeru izmantošanas priekšrocības kronšteinu griešanai ir augsta griezuma kvalitāte, labāka virsmas apdare un mazāk gružu, kas samazina pēcapstrādes izmaksas.
06 Mikrofluidisko ierīču ražošana medicīnas nozarei
Mikrofluidiskās ierīces parasti izmanto medicīnas nozarē slimību testēšanai un diagnostikai. Tos parasti ražo, atsevišķu detaļu mikroiesmidzināšanas veidā un pēc tam savienojot, izmantojot līmēšanu vai metināšanu. Mikrofluidisko ierīču īpaši ātras lāzera izgatavošanas priekšrocība ir 3D mikrokanālu izgatavošana caurspīdīgos materiālos, piemēram, stiklā, bez nepieciešamības izveidot savienojumus. Viena metode ir īpaši ātra lāzera izgatavošana lielapjoma stikla iekšpusē, kam seko mitrā ķīmiskā kodināšana, un cita ir femtosekundes lāzera ablācija stikla vai plastmasas iekšpusē destilētā ūdenī, lai noņemtu gružus. Vēl viena pieeja ir iestrādāt kanālus stikla virsmā un noblīvēt tos ar stikla pārsegu, izmantojot femtosekundes lāzermetināšanu.
6. attēls. Femtosekundes lāzera izraisīta selektīva kodināšana, lai sagatavotu mikrofluidiskos kanālus stikla materiālos
07 Inžektora sprauslas mikro urbšana
Femtosekundes lāzera mikrocaurumu apstrāde ir aizstājusi mikro-EDM daudzos uzņēmumos augstspiediena inžektoru tirgū, jo ir lielāka elastība mainot plūsmas caurumu profilus un īsāks apstrādes laiks. Spēja automātiski kontrolēt staru kūļa fokusa pozīciju un slīpumu, izmantojot precesējošo skenēšanas galviņu, ir novedusi pie apertūras profilu (piemēram, stobra, uzliesmojuma, konverģence, diverģence) dizaina, kas var veicināt izsmidzināšanu vai iespiešanos sadegšanas kamerā. Urbšanas laiks ir atkarīgs no ablācijas apjoma, ar urbuma biezumu 0,2–0,5 mm un urbuma diametru 0,12–0,25 mm, padarot šo paņēmienu desmit reizes ātrāku nekā mikro-EDM. Mikrourbšana tiek veikta trīs posmos, ieskaitot rupjo urbumu apstrādi un urbumu apdari. Argonu izmanto kā palīggāzi, lai aizsargātu urbumu no oksidēšanās un aizsargātu galīgo plazmu sākotnējos posmos.
7. attēls. Femtosekundes lāzera augstas precizitātes apgrieztā konusveida cauruma apstrāde dīzeļdzinēja inžektoram
08 Īpaši ātra lāzera teksturēšana
Pēdējos gados, lai uzlabotu apstrādes precizitāti, samazinātu materiālu bojājumus un palielinātu apstrādes efektivitāti, mikroapstrādes joma pakāpeniski ir kļuvusi par pētnieku uzmanību. Īpaši ātrajam lāzeram ir dažādas apstrādes priekšrocības, piemēram, mazs bojājums un augsta precizitāte, kas ir kļuvusi par apstrādes tehnoloģiju attīstības veicināšanas centru. Tajā pašā laikā īpaši ātrie lāzeri var iedarboties uz dažādiem materiāliem, un lāzera apstrādes materiālu bojājumi ir arī galvenais pētniecības virziens. Materiālu ablēšanai izmanto īpaši ātru lāzeru. Ja lāzera enerģijas blīvums ir augstāks par materiāla ablācijas slieksni, ablētā materiāla virsma parādīs mikronano struktūru ar noteiktām īpašībām. Pētījumi liecina, ka šī īpašā virsmas struktūra ir izplatīta parādība, kas rodas, apstrādājot materiālus ar lāzeru. Virsmas mikro-nano konstrukciju sagatavošana var uzlabot paša materiāla īpašības un arī dot iespēju izstrādāt jaunus materiālus. Tas padara virsmas mikro-nano struktūru sagatavošanu ar ultraātro lāzeru par tehnisku metodi ar nozīmīgu attīstības nozīmi. Pašlaik metāla materiāliem pētījumi par īpaši ātru lāzera virsmu teksturēšanu var uzlabot metāla virsmas mitrināšanas īpašības, uzlabot virsmas berzes un nodiluma īpašības, uzlabot pārklājuma saķeri un šūnu virziena proliferāciju un adhēziju.
8. attēls. Ar lāzeru sagatavotas silīcija virsmas superhidrofobās īpašības
Kā visprogresīvākā apstrādes tehnoloģija īpaši ātrai lāzera apstrādei ir nelielas siltuma ietekmētās zonas īpašības, nelineārs mijiedarbības process ar materiāliem un augstas izšķirtspējas apstrāde, kas pārsniedz difrakcijas robežu. Tas var realizēt dažādu materiālu augstas kvalitātes un augstas precizitātes mikro-nano apstrādi. un trīsdimensiju mikro-nano struktūras izgatavošana. Īpašu materiālu, sarežģītu konstrukciju un īpašu ierīču lāzera ražošanas panākšana paver jaunas iespējas mikronano ražošanai. Pašlaik femtosekundes lāzers ir plaši izmantots daudzās progresīvākās zinātnes jomās: femtosekundes lāzeru var izmantot dažādu optisko ierīču, piemēram, mikrolēcu bloku, bionisko salikto acu, optisko viļņvadu un metavirsmu sagatavošanai; izmantojot tā augsto precizitāti, augstu izšķirtspēju un Ar trīsdimensiju apstrādes iespējām femtosekundes lāzers var sagatavot vai integrēt mikrofluidiskas un optofluidiskas mikroshēmas, piemēram, mikrosildītāja komponentus un trīsdimensiju mikrofluidiskos kanālus; turklāt femtosekundes lāzers var arī sagatavot dažāda veida virsmas mikro-nanostruktūras, lai panāktu pretatspīdumu, pretatspīdumu, superhidrofobu, pretapledojumu un citas funkcijas; ne tikai, femtosekundes lāzers ir izmantots arī biomedicīnas jomā, parādot izcilus rezultātus tādās jomās kā bioloģiskie mikrostenti, šūnu kultūras substrāti un bioloģiskā mikroskopiskā attēlveidošana. Plašas pielietošanas iespējas. Šobrīd femtosekundes lāzera apstrādes pielietojuma jomas katru gadu paplašinās. Papildus iepriekšminētajai mikrooptikai, mikrofluidikai, daudzfunkcionālām mikro-nanostruktūrām un biomedicīnas inženierijas lietojumprogrammām tai ir arī liela nozīme dažās jaunās jomās, piemēram, metavirsmas sagatavošanā. , mikronano ražošana un daudzdimensiju optiskās informācijas glabāšana utt.
Publicēšanas laiks: 17.04.2024
