Iako su ultrabrzi laseri prisutni već desetljećima, industrijske su primjene u posljednja dva desetljeća brzo porasle. U 2019. tržišna vrijednost ultrabrzoglaserski materijalprerada iznosila je približno 460 milijuna USD, sa ukupnom godišnjom stopom rasta od 13%. Područja primjene u kojima su ultrabrzi laseri uspješno korišteni za obradu industrijskih materijala uključuju izradu i popravak fotomaski u industriji poluvodiča kao i rezanje silicija na kockice, rezanje/skrabiranje stakla i (indij kositar oksid) ITO uklanjanje filma u potrošačkoj elektronici kao što su mobilni telefoni i tableti , teksturiranje klipa za automobilsku industriju, proizvodnju koronarnih stentova i proizvodnju mikrofluidnih uređaja za medicinsku industriju.
01 Proizvodnja i popravak fotomaski u industriji poluvodiča
Ultrabrzi laseri korišteni su u jednoj od najranijih industrijskih primjena u obradi materijala. IBM je izvijestio o primjeni femtosekundne laserske ablacije u proizvodnji fotomaski 1990-ih. U usporedbi s nanosekundnom laserskom ablacijom, koja može proizvesti prskanje metala i oštećenje stakla, femtosekundne laserske maske ne pokazuju prskanje metala, oštećenje stakla, itd. Prednosti. Ova se metoda koristi za proizvodnju integriranih sklopova (IC). Proizvodnja IC čipa može zahtijevati do 30 maski i koštati >100.000 USD. Femtosekundna laserska obrada može obraditi linije i točke ispod 150 nm.
Slika 1. Izrada i popravak fotomaske
Slika 2. Rezultati optimizacije različitih uzoraka maski za ekstremnu ultraljubičastu litografiju
02 Rezanje silicija u industriji poluvodiča
Rezanje silikonskih pločica standardni je proizvodni proces u industriji poluvodiča i obično se izvodi mehaničkim rezanjem. Ovi rezni kotači često stvaraju mikropukotine i teško ih je rezati tanke (npr. debljine < 150 μm) pločice. Lasersko rezanje silicijskih pločica koristi se u industriji poluvodiča dugi niz godina, posebno za tanke pločice (100-200 μm), a provodi se u više koraka: lasersko žljebljenje, nakon čega slijedi mehaničko odvajanje ili nevidljivo rezanje (tj. infracrvena laserska zraka unutar silikonsko crtanje) nakon čega slijedi mehaničko odvajanje trake. Nanosekundni pulsni laser može obraditi 15 pločica na sat, a pikosekundni laser može obraditi 23 pločice na sat, uz veću kvalitetu.
03 Rezanje/skrobanje stakla u industriji potrošne elektronike
Zasloni osjetljivi na dodir i zaštitna stakla za mobitele i prijenosna računala sve su tanji, a neki geometrijski oblici zakrivljeni. To otežava tradicionalno mehaničko rezanje. Tipični laseri obično proizvode lošu kvalitetu rezanja, posebno kada su ovi stakleni zasloni složeni u 3-4 sloja, a gornje zaštitno staklo debljine 700 μm je kaljeno, što se može slomiti zbog lokalnog naprezanja. Pokazalo se da ultrabrzi laseri mogu rezati ova stakla s boljom čvrstoćom rubova. Za rezanje velikih ravnih ploča, femtosekundni laser može se fokusirati na stražnju površinu staklene ploče, grebući unutrašnjost stakla bez oštećenja prednje površine. Staklo se zatim može razbiti mehaničkim ili termičkim sredstvima duž zarezane šare.
Slika 3. Pikosekundno ultrabrzo lasersko rezanje posebnog oblika stakla
04 Teksture klipa u automobilskoj industriji
Lagani automobilski motori izrađeni su od aluminijskih legura, koje nisu tako otporne na habanje kao lijevano željezo. Studije su otkrile da femtosekundna laserska obrada tekstura automobilskih klipova može smanjiti trenje do 25% jer se ostaci i ulje mogu učinkovito pohraniti.
Slika 4. Femtosekundna laserska obrada klipova automobilskih motora za poboljšanje performansi motora
05 Proizvodnja koronarnih stentova u medicinskoj industriji
Milijuni koronarnih stentova ugrađuju se u tjelesne koronarne arterije kako bi se otvorio kanal za protok krvi u inače zgrušane žile, spašavajući milijune života svake godine. Koronarni stentovi obično se izrađuju od metalne (npr. nehrđajućeg čelika, legure s pamćenjem oblika nikla i titana ili u novije vrijeme legure kobalta i kroma) žičane mreže sa širinom podupirača od približno 100 μm. U usporedbi s laserskim rezanjem s dugim pulsom, prednosti korištenja ultrabrzih lasera za rezanje nosača su visoka kvaliteta rezanja, bolja završna obrada površine i manje otpadaka, što smanjuje troškove naknadne obrade.
06 Proizvodnja mikrofluidnih uređaja za medicinsku industriju
Mikrofluidni uređaji obično se koriste u medicinskoj industriji za testiranje i dijagnozu bolesti. Oni se obično proizvode mikrobrizganjem pojedinačnih dijelova i zatim spajanjem pomoću lijepljenja ili zavarivanja. Ultrabrza laserska izrada mikrofluidnih uređaja ima prednost proizvodnje 3D mikrokanala unutar prozirnih materijala kao što je staklo bez potrebe za spajanjem. Jedna metoda je ultrabrza laserska izrada unutar staklene mase praćena mokrim kemijskim jetkanjem, a druga je femtosekundna laserska ablacija unutar stakla ili plastike u destiliranoj vodi za uklanjanje krhotina. Drugi pristup je obrada kanala u staklenu površinu i njihovo zatvaranje staklenim poklopcem femtosekundnim laserskim zavarivanjem.
Slika 6. Selektivno jetkanje inducirano femtosekundnim laserom za pripremu mikrofluidnih kanala unutar staklenih materijala
07 Mikro bušenje mlaznice injektora
Femtosekundna laserska obrada mikrorupa zamijenila je mikro-EDM u mnogim tvrtkama na tržištu visokotlačnih injektora zbog veće fleksibilnosti u mijenjanju profila protočne rupe i kraćih vremena obrade. Sposobnost automatske kontrole položaja fokusa i nagiba zrake kroz precesirajuću glavu za skeniranje dovela je do dizajna profila otvora (npr. bačvasti, bljesak, konvergencija, divergencija) koji mogu pospješiti atomizaciju ili prodiranje u komoru za izgaranje. Vrijeme bušenja ovisi o volumenu ablacije, s debljinom svrdla od 0,2 – 0,5 mm i promjerom rupe od 0,12 – 0,25 mm, što ovu tehniku čini deset puta bržom od mikro-EDM. Mikrobušenje se izvodi u tri faze, uključujući grubu obradu i završnu obradu prolaznih pilot rupa. Argon se koristi kao pomoćni plin za zaštitu bušotine od oksidacije i za zaštitu konačne plazme tijekom početnih faza.
Slika 7. Femtosekundna laserska obrada visoke preciznosti obrnutog konusnog otvora za brizgaljku dizelskog motora
08 Ultra-brzo lasersko teksturiranje
Posljednjih godina, kako bi se poboljšala točnost strojne obrade, smanjila materijalna šteta i povećala učinkovitost obrade, polje mikrostrojne obrade postupno je postalo fokus istraživača. Ultrabrzi laser ima razne prednosti obrade kao što su mala oštećenja i visoka preciznost, što je postalo fokus promicanja razvoja tehnologije obrade. U isto vrijeme, ultrabrzi laseri mogu djelovati na različite materijale, a laserska obrada oštećenja materijala također je glavni smjer istraživanja. Ultrabrzi laser se koristi za ablaciju materijala. Kada je gustoća energije lasera veća od praga ablacije materijala, površina ablaciranog materijala pokazat će mikro-nano strukturu s određenim karakteristikama. Istraživanja pokazuju da je ova posebna površinska struktura uobičajena pojava koja se događa prilikom laserske obrade materijala. Priprema površinskih mikro-nano struktura može poboljšati svojstva samog materijala i omogućiti razvoj novih materijala. To čini pripremu površinskih mikro-nano struktura ultrabrzim laserom tehničkom metodom od važnog razvojnog značaja. Trenutno, za metalne materijale, istraživanje ultrabrzog laserskog površinskog teksturiranja može poboljšati svojstva vlaženja metalne površine, poboljšati površinsko trenje i svojstva trošenja, poboljšati adheziju premaza i usmjerenu proliferaciju i adheziju stanica.
Slika 8. Superhidrofobna svojstva laserski pripremljene površine silicija
Kao vrhunska tehnologija obrade, ultrabrza laserska obrada ima karakteristike male zone utjecaja topline, nelinearnog procesa interakcije s materijalima i obrade visoke razlučivosti izvan granice difrakcije. Može ostvariti visokokvalitetnu i visokopreciznu mikro-nano obradu različitih materijala. i izrada trodimenzionalne mikro-nano strukture. Postizanje laserske proizvodnje posebnih materijala, složenih struktura i posebnih uređaja otvara nove puteve za mikro-nano proizvodnju. Trenutno se femtosekundni laser široko koristi u mnogim vrhunskim znanstvenim poljima: femtosekundni laser može se koristiti za pripremu različitih optičkih uređaja, kao što su nizovi mikroleća, bioničke složene oči, optički valovod i metapovršine; koristeći svoju visoku preciznost, visoku rezoluciju i mogućnosti trodimenzionalne obrade, femtosekundni laser može pripremiti ili integrirati mikrofluidne i optofluidne čipove kao što su komponente mikrogrijača i trodimenzionalni mikrofluidni kanali; osim toga, femtosekundni laser također može pripremiti različite vrste površinskih mikro-nanostruktura za postizanje anti-refleksije, anti-refleksije, super-hidrofobnosti, protiv zaleđivanja i drugih funkcija; ne samo to, femtosekundni laser također je primijenjen u području biomedicine, pokazujući izvanredne performanse u područjima kao što su biološki mikro-stentovi, supstrati za stanične kulture i biološko mikroskopsko snimanje. Široki izgledi za primjenu. Trenutačno se područja primjene femtosekundne laserske obrade proširuju iz godine u godinu. Uz gore spomenutu mikro-optiku, mikrofluidiku, višenamjenske mikro-nanostrukture i aplikacije biomedicinskog inženjeringa, također igra veliku ulogu u nekim novim poljima, kao što je priprema metapovršina. , mikro-nano proizvodnja i višedimenzionalna optička pohrana informacija, itd.
Vrijeme objave: 17. travnja 2024
