Lai gan īpaši ātrie lāzeri pastāv jau gadu desmitiem, to rūpnieciskie pielietojumi pēdējo divu desmitgažu laikā ir strauji pieauguši. 2019. gadā īpaši ātro lāzeru 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, ietver fotomasku izgatavošanu un remontu pusvadītāju rūpniecībā, kā arī silīcija griešanai kubiņos, stikla griešanai/ierakstīšanai un (indija alvas oksīda) ITO plēves noņemšanai plaša patēriņa elektronikā, piemēram, mobilajos tālruņos un planšetdatoros, virzuļu teksturēšanai automobiļu rūpniecībā, koronāro stentu ražošanā un mikrofluidikas ierīču ražošanā medicīnas rūpniecībā.
01 Fotomasku ražošana un remonts pusvadītāju rūpniecībā
Īpaši ātrie lāzeri tika izmantoti vienā no agrākajiem rūpnieciskajiem pielietojumiem materiālu apstrādē. IBM ziņoja par femtosekundes lāzera ablācijas izmantošanu fotomasku ražošanā 20. gs. deviņdesmitajos gados. Salīdzinot ar nanosekundes lāzera ablāciju, kas var radīt metāla šļakatas un stikla bojājumus, femtosekundes lāzera maskas neuzrāda metāla šļakatas, stikla bojājumus utt. Priekšrocības. Šo metodi izmanto integrēto shēmu (IC) ražošanai. IC mikroshēmas izgatavošanai var būt nepieciešamas līdz pat 30 maskām, un tā izmaksās >100 000 USD. Femtosekundes lāzera apstrāde var apstrādāt līnijas un punktus, kuru garums ir zem 150 nm.
1. attēls. Fotomaskas izgatavošana un remonts
2. attēls. Dažādu masku rakstu optimizācijas rezultāti ekstremāli ultravioletā litogrāfijai.
02 Silīcija griešana pusvadītāju rūpniecībā
Silīcija plākšņu sadalīšana kubiņos ir standarta ražošanas process pusvadītāju rūpniecībā, un to parasti veic, izmantojot mehānisku sadalīšanu kubiņos. Šiem griešanas riteņiem bieži rodas mikroplaisas, un ar tiem ir grūti sagriezt plānas (piemēram, ar biezumu < 150 μm) plāksnītes. Silīcija plākšņu lāzergriešana pusvadītāju rūpniecībā tiek izmantota jau daudzus gadus, īpaši plānām plāksnītēm (100–200 μm), un to veic vairākos posmos: lāzera rievošana, kam seko mehāniska atdalīšana vai slēpta griešana (t. i., infrasarkanā lāzera stara griešana silīcija iekšpusē), kam seko mehāniska lentes atdalīšana. Nanosekundes impulsa lāzers var apstrādāt 15 plāksnītes stundā, bet pikosekundes lāzers var apstrādāt 23 plāksnītes stundā, turklāt ar augstāku kvalitāti.
03 Stikla griešana/gravēšana patēriņa elektronikas nozarē
Mobilo tālruņu un klēpjdatoru skārienekrāni un aizsargbrilles kļūst plānākas, un dažas ģeometriskas formas ir izliektas. Tas apgrūtina tradicionālo mehānisko griešanu. Tipiski lāzeri parasti rada sliktu griešanas kvalitāti, īpaši, ja šie stikla displeji ir sakrauti 3-4 slāņos un augšējais 700 μm biezais aizsargstikls ir rūdīts, kas var saplīst lokāla sprieguma rezultātā. Ir pierādīts, ka īpaši ātrie lāzeri spēj griezt šos stiklus ar labāku malu izturību. Lielu plakano paneļu griešanai femtosekundes lāzeru var fokusēt uz stikla loksnes aizmugurējo virsmu, saskrāpējot stikla iekšpusi, nebojājot priekšējo virsmu. Pēc tam stiklu var salauzt, izmantojot mehāniskus vai termiskus līdzekļus pa iegriezto rakstu.
3. attēls. Pikosekunžu īpaši ātra lāzera stikla īpašas formas griešana
04 Virzuļa tekstūras autobūves nozarē
Vieglo automašīnu dzinēji ir izgatavoti no alumīnija sakausējumiem, kas nav tik nodilumizturīgi kā čuguns. Pētījumi ir atklājuši, ka automašīnu virzuļu tekstūru femtosekundes lāzera apstrāde var samazināt berzi līdz pat 25%, jo gružus un eļļu var efektīvi uzglabāt.
4. attēls. Automobiļu dzinēju virzuļu apstrāde ar femtosekundēm, lai uzlabotu dzinēja darbību.
05 Koronāro stentu ražošana medicīnas nozarē
Miljoniem koronāro stentu tiek implantēti organisma koronārajās artērijās, lai atvērtu kanālu asinīm plūst uz citādi sarecējušiem asinsvadiem, katru gadu glābjot miljoniem dzīvību. Koronārie stenti parasti tiek izgatavoti no metāla (piemēram, nerūsējošā tērauda, niķeļa-titāna formu atcerošās sakausējuma vai nesenāk kobalta-hroma sakausējuma) stiepļu sieta ar statņa platumu aptuveni 100 μm. Salīdzinot ar garo impulsu lāzergriešanu, īpaši ātru lāzeru izmantošanas priekšrocības kronšteinu griešanai ir augsta griešanas kvalitāte, labāka virsmas apdare un mazāks gružu daudzums, kas samazina pēcapstrādes izmaksas.
06 Mikrofluidikas ierīču ražošana medicīnas nozarei
Mikrofluidikas ierīces medicīnas nozarē parasti izmanto slimību testēšanai un diagnostikai. Tās parasti ražo, veicot atsevišķu detaļu mikroiesmidzināšanas formēšanu un pēc tam savienošanu, izmantojot līmēšanu vai metināšanu. Mikrofluidikas ierīču īpaši ātrai lāzera izgatavošanai ir priekšrocība, ka tā rada 3D mikrokanālus caurspīdīgos materiālos, piemēram, stiklā, bez nepieciešamības pēc savienojumiem. Viena metode ir īpaši ātra lāzera izgatavošana stikla masas iekšpusē, kam seko ķīmiskā kodināšana ar mitru metodi, bet cita metode ir femtosekundes lāzera ablācija stikla vai plastmasas iekšpusē destilētā ūdenī, lai noņemtu gružus. Cita pieeja ir iefrēzēt kanālus stikla virsmā un noslēgt tos ar stikla pārklājumu, izmantojot femtosekundes lāzera metināšanu.
6. attēls. Femtosekundes lāzera inducēta selektīvā kodināšana mikrofluidikas kanālu sagatavošanai stikla materiālos.
07 Inžektora sprauslas mikrourbšana
Femtosekundes lāzera mikrocaurumu apstrāde daudzos augstspiediena inžektoru tirgus uzņēmumos ir aizstājusi mikroEDM, pateicoties lielākai plūsmas caurumu profilu mainīšanas elastībai un īsākam apstrādes laikam. Spēja automātiski kontrolēt stara fokusa pozīciju un slīpumu, izmantojot apstrādes skenēšanas galviņu, ir novedusi pie atveres profilu (piemēram, mucas, uzliesmojuma, konverģences, diverģences) konstrukcijas, kas var veicināt atomizāciju vai iekļūšanu sadegšanas kamerā. Urbšanas laiks ir atkarīgs no ablācijas tilpuma, ar urbja biezumu 0,2–0,5 mm un cauruma diametru 0,12–0,25 mm, padarot šo tehniku desmit reizes ātrāku nekā mikroEDM. Mikrourbšana tiek veikta trīs posmos, ieskaitot caurejošu urbumu rupjo apstrādi un apstrādi. Argons tiek izmantots kā palīggāze, lai aizsargātu urbumu no oksidēšanās un pasargātu galīgo plazmu sākotnējos posmos.
7. attēls. Dīzeļdzinēja iesmidzinātāja apgrieztā konusveida cauruma augstas precizitātes apstrāde ar femtosekundes lāzeru.
08 Īpaši ātra lāzerteksturēšana
Pēdējos gados, lai uzlabotu apstrādes precizitāti, samazinātu materiālu bojājumus un palielinātu apstrādes efektivitāti, mikroapstrādes joma pakāpeniski ir kļuvusi par pētnieku uzmanības centru. Īpaši ātrajam lāzeram ir dažādas apstrādes priekšrocības, piemēram, zems bojājumu līmenis un augsta precizitāte, kas ir kļuvusi par apstrādes tehnoloģiju attīstības veicināšanas uzmanības centrā. Vienlaikus īpaši ātrie lāzeri var iedarboties uz dažādiem materiāliem, un lāzera apstrāde ar materiālu bojājumiem ir arī galvenais pētījumu virziens. Īpaši ātrais lāzers tiek izmantots materiālu ablācijai. Kad lāzera enerģijas blīvums ir augstāks par materiāla ablācijas slieksni, ablētā materiāla virsma parādīs mikro-nano struktūru ar noteiktām īpašībām. Pētījumi liecina, ka šī īpašā virsmas struktūra ir izplatīta parādība, kas rodas, apstrādājot materiālus ar lāzeru. Virsmas mikro-nano struktūru sagatavošana var uzlabot paša materiāla īpašības un arī veicināt jaunu materiālu izstrādi. Tas padara virsmas mikro-nano struktūru sagatavošanu ar īpaši ātru lāzeru par tehnisku metodi ar svarīgu attīstības nozīmi. Pašlaik metāla materiālu gadījumā pētījumi par īpaši ātru lāzera virsmas teksturēšanu var uzlabot metāla virsmas mitrināšanas īpašības, virsmas berzes un nodiluma īpašības, pārklājuma adhēziju, kā arī šūnu virziena proliferāciju un adhēziju.
8. attēls. Ar lāzeru sagatavotas silīcija virsmas superhidrofobās īpašības
Kā visprogresīvākā apstrādes tehnoloģija, īpaši ātrai lāzerapstrādei ir raksturīga neliela termiski ietekmētā zona, nelineārs mijiedarbības process ar materiāliem un augstas izšķirtspējas apstrāde, kas pārsniedz difrakcijas robežu. Tā var realizēt dažādu materiālu augstas kvalitātes un augstas precizitātes mikro-nano apstrādi, kā arī trīsdimensiju mikro-nano struktūru izgatavošanu. Lāzera ražošanas panākšana īpašu materiālu, sarežģītu struktūru un īpašu ierīču ražošanā paver jaunas iespējas mikro-nano ražošanā. Pašlaik femtosekundes lāzers ir plaši izmantots daudzās progresīvās zinātnes jomās: femtosekundes lāzeru var izmantot dažādu optisko ierīču, piemēram, mikrolēcu masīvu, bionisko savienojumu acu, optisko viļņvadu un metavirsmu, izgatavošanai; izmantojot tā augsto precizitāti, augsto izšķirtspēju un trīsdimensiju apstrādes iespējas, femtosekundes lāzers var sagatavot vai integrēt mikrofluidikas un optofluidikas mikroshēmas, piemēram, mikrosildītāja komponentus un trīsdimensiju mikrofluidikas kanālus; Turklāt femtosekundes lāzers var arī sagatavot dažāda veida virsmas mikronanostruktūras, lai panāktu pretatstarošanās, pretatstarošanās, superhidrofobijas, pretapledojuma un citas funkcijas; turklāt femtosekundes lāzers ir ticis pielietots arī biomedicīnas jomā, uzrādot izcilu sniegumu tādās jomās kā bioloģiskie mikrostenti, šūnu kultūru substrāti un bioloģiskā mikroskopiskā attēlveidošana. Plašas pielietojuma perspektīvas. Pašlaik femtosekundes lāzerapstrādes pielietojuma jomas paplašinās gadu no gada. Papildus iepriekšminētajai mikrooptikai, mikrofluidikai, daudzfunkcionālām mikronanostruktūrām un biomedicīnas inženierijas pielietojumiem, tam ir arī milzīga loma dažās jaunās jomās, piemēram, metavirsmas sagatavošanā, mikronano ražošanā un daudzdimensiju optiskās informācijas glabāšanā utt.
Publicēšanas laiks: 2024. gada 17. aprīlis
