Chociaż ultrakrótkie lasery są dostępne od dziesięcioleci, ich zastosowania przemysłowe gwałtownie wzrosły w ciągu ostatnich dwóch dekad. W 2019 roku wartość rynkowa ultrakrótkich laserówmateriał laserowyPrzetwarzanie wyniosło około 460 milionów dolarów amerykańskich, przy średniorocznej stopie wzrostu na poziomie 13%. Obszary zastosowań, w których ultraszybkie lasery z powodzeniem wykorzystano do przetwarzania materiałów przemysłowych, obejmują wytwarzanie i naprawę fotomasek w przemyśle półprzewodnikowym, a także cięcie krzemu, cięcie/rycie szkła i usuwanie warstwy ITO (tlenku indowo-cynowego) w elektronice użytkowej, takiej jak telefony komórkowe i tablety, teksturowanie tłoków w przemyśle motoryzacyjnym, produkcję stentów wieńcowych oraz produkcję urządzeń mikroprzepływowych w przemyśle medycznym.
01 Produkcja i naprawa fotomasek w przemyśle półprzewodnikowym
Ultraszybkie lasery były wykorzystywane w jednym z pierwszych zastosowań przemysłowych w przetwórstwie materiałów. Firma IBM zgłosiła zastosowanie femtosekundowej ablacji laserowej w produkcji fotomasek w latach 90. XX wieku. W porównaniu z nanosekundową ablacją laserową, która może powodować odpryski metalu i uszkodzenia szkła, maski laserowe femtosekundowe nie powodują odprysków metalu, uszkodzeń szkła itp. Zalety: Ta metoda jest wykorzystywana do produkcji układów scalonych (IC). Wyprodukowanie układu scalonego może wymagać nawet 30 masek i kosztować ponad 100 000 USD. Obróbka laserem femtosekundowym umożliwia przetwarzanie linii i punktów o długości poniżej 150 nm.
Rysunek 1. Wykonanie i naprawa fotomaski
Rysunek 2. Wyniki optymalizacji różnych wzorów masek dla litografii w ekstremalnym ultrafiolecie
02 Cięcie krzemu w przemyśle półprzewodnikowym
Cięcie płytek krzemowych to standardowy proces produkcyjny w przemyśle półprzewodnikowym, zazwyczaj wykonywany metodą cięcia mechanicznego. Na tych tarczach tnących często tworzą się mikropęknięcia i są one trudne do cięcia cienkich płytek (np. o grubości < 150 μm). Cięcie laserowe płytek krzemowych jest stosowane w przemyśle półprzewodnikowym od wielu lat, szczególnie w przypadku cienkich płytek (100–200 μm), i odbywa się w kilku etapach: laserowe rowkowanie, a następnie mechaniczne rozdzielanie lub cięcie stealth (tj. wiązka lasera podczerwonego wewnątrz grawerowanego krzemu), a następnie mechaniczne rozdzielanie taśmą. Laser impulsowy nanosekundowy może przetwarzać 15 płytek na godzinę, a laser pikosekundowy – 23 płytki na godzinę, zapewniając wyższą jakość.
03 Cięcie/rytowanie szkła w przemyśle elektroniki użytkowej
Ekrany dotykowe i szkła ochronne do telefonów komórkowych i laptopów stają się coraz cieńsze, a niektóre kształty geometryczne są zakrzywione. Utrudnia to tradycyjne cięcie mechaniczne. Typowe lasery zazwyczaj zapewniają niską jakość cięcia, zwłaszcza gdy te szklane wyświetlacze są ułożone warstwowo, a górna warstwa szkła ochronnego o grubości 700 μm jest hartowana, co może spowodować pęknięcie pod wpływem naprężeń miejscowych. Wykazano, że ultraszybkie lasery umożliwiają cięcie tych szkieł z lepszą wytrzymałością krawędzi. W przypadku cięcia dużych płaskich paneli, laser femtosekundowy można skupić na tylnej powierzchni tafli szkła, rysując jej wnętrze bez uszkadzania przedniej powierzchni. Szkło można następnie rozbić mechanicznie lub termicznie wzdłuż naciętego wzoru.
Rysunek 3. Cięcie szkła o specjalnym kształcie za pomocą ultraszybkiego lasera pikosekundowego
04 Tekstury tłoków w przemyśle motoryzacyjnym
Lekkie silniki samochodowe są wykonane ze stopów aluminium, które nie są tak odporne na zużycie jak żeliwo. Badania wykazały, że obróbka laserem femtosekundowym tekstur tłoków samochodowych może zmniejszyć tarcie nawet o 25%, ponieważ pozwala na efektywne magazynowanie zanieczyszczeń i oleju.
Rysunek 4. Obróbka tłoków silników samochodowych laserem femtosekundowym w celu poprawy osiągów silnika
05 Produkcja stentów wieńcowych w przemyśle medycznym
Miliony stentów wieńcowych wszczepia się do tętnic wieńcowych, aby umożliwić przepływ krwi do naczyń, które w przeciwnym razie uległyby zakrzepowi, ratując miliony istnień ludzkich każdego roku. Stenty wieńcowe są zazwyczaj wykonane z metalowej siatki drucianej (np. ze stali nierdzewnej, stopu niklowo-tytanowego z pamięcią kształtu lub, ostatnio, ze stopu kobaltowo-chromowego) o szerokości około 100 μm. W porównaniu z cięciem laserowym o długim impulsie, zalety stosowania ultraszybkich laserów do cięcia zamków to wysoka jakość cięcia, lepsze wykończenie powierzchni i mniej zanieczyszczeń, co obniża koszty obróbki końcowej.
06 Produkcja urządzeń mikroprzepływowych dla przemysłu medycznego
Urządzenia mikroprzepływowe są powszechnie stosowane w przemyśle medycznym do testowania i diagnostyki chorób. Są one zazwyczaj wytwarzane metodą mikrowtrysku pojedynczych elementów, a następnie łączone za pomocą klejenia lub spawania. Ultraszybka laserowa produkcja urządzeń mikroprzepływowych ma tę zaletę, że pozwala na tworzenie trójwymiarowych mikrokanałów w materiałach przezroczystych, takich jak szkło, bez konieczności łączenia. Jedną z metod jest ultraszybka laserowa produkcja wewnątrz masy szklanej, a następnie trawienie chemiczne na mokro, a inną femtosekundowa ablacja laserowa wewnątrz szkła lub plastiku w wodzie destylowanej w celu usunięcia zanieczyszczeń. Innym podejściem jest frezowanie kanałów w powierzchni szkła i uszczelnianie ich szklaną osłoną za pomocą femtosekundowego spawania laserowego.
Rysunek 6. Selektywne trawienie indukowane laserem femtosekundowym w celu przygotowania kanałów mikroprzepływowych wewnątrz materiałów szklanych
07 Mikrowiercenie dyszy wtryskiwacza
Obróbka mikrootworów laserem femtosekundowym zastąpiła mikroobróbkę elektroerozyjną (EDM) w wielu firmach na rynku wtryskiwaczy wysokociśnieniowych ze względu na większą elastyczność w zmianie profili otworów przepływowych i krótszy czas obróbki. Możliwość automatycznego sterowania położeniem ogniska i pochyleniem wiązki za pomocą głowicy skanującej z precesją doprowadziła do opracowania profili apertury (np. lufy, flary, konwergencji, dywergencji), które mogą wspomagać atomizację lub penetrację w komorze spalania. Czas wiercenia zależy od objętości ablacji, przy grubości wiertła 0,2–0,5 mm i średnicy otworu 0,12–0,25 mm, co czyni tę technikę dziesięciokrotnie szybszą niż mikroobróbka elektroerozyjna (EDM). Mikroobróbka jest wykonywana w trzech etapach, obejmujących obróbkę zgrubną i wykańczającą otworów pilotujących. Argon jest używany jako gaz pomocniczy do ochrony otworu wiertniczego przed utlenianiem i do osłony końcowej plazmy w początkowych etapach.
Rysunek 7. Precyzyjna obróbka otworu stożkowego odwróconego wtryskiwacza silnika Diesla za pomocą lasera femtosekundowego
08 Ultraszybkie teksturowanie laserowe
W ostatnich latach, w celu poprawy dokładności obróbki, zmniejszenia uszkodzeń materiału i zwiększenia wydajności, mikroobróbka stopniowo stała się przedmiotem zainteresowania badaczy. Ultraszybki laser oferuje liczne zalety przetwarzania, takie jak niskie uszkodzenia i wysoka precyzja, co stało się głównym celem rozwoju technologii przetwarzania. Jednocześnie ultraszybkie lasery mogą oddziaływać na różnorodne materiały, a obróbka laserowa uszkodzeń materiału jest również ważnym kierunkiem badań. Ultraszybki laser jest używany do ablacji materiałów. Gdy gęstość energii lasera jest wyższa niż próg ablacji materiału, powierzchnia ablowanego materiału wykazuje mikro-nanostrukturę o określonych właściwościach. Badania pokazują, że ta specyficzna struktura powierzchni jest powszechnym zjawiskiem występującym podczas laserowej obróbki materiałów. Przygotowanie mikro-nanostruktur powierzchniowych może poprawić właściwości samego materiału, a także umożliwić rozwój nowych materiałów. To sprawia, że przygotowanie mikro-nanostruktur powierzchniowych za pomocą ultraszybkiego lasera jest metodą techniczną o istotnym znaczeniu rozwojowym. Obecnie w przypadku materiałów metalowych badania nad teksturowaniem powierzchni za pomocą ultraszybkiego lasera mogą poprawić właściwości zwilżania powierzchni metalu, poprawić tarcie powierzchni i właściwości związane ze zużyciem, zwiększyć przyczepność powłoki oraz kierunkową proliferację i przyczepność komórek.
Rysunek 8. Właściwości superhydrofobowe powierzchni krzemu przygotowanej laserowo
Jako najnowocześniejsza technologia przetwarzania, ultraszybkie przetwarzanie laserowe charakteryzuje się małą strefą wpływu ciepła, nieliniowym procesem interakcji z materiałami i przetwarzaniem o wysokiej rozdzielczości poza granicą dyfrakcji. Może realizować wysokiej jakości i precyzyjne przetwarzanie mikro-nano różnych materiałów. oraz trójwymiarową produkcję mikro-nanostruktur. Osiągnięcie laserowej produkcji specjalnych materiałów, złożonych struktur i specjalnych urządzeń otwiera nowe możliwości dla produkcji mikro-nano. Obecnie laser femtosekundowy jest szeroko stosowany w wielu najnowocześniejszych dziedzinach nauki: laser femtosekundowy może być używany do przygotowywania różnych urządzeń optycznych, takich jak matryce mikrosoczewek, bioniczne oczy złożone, światłowody i metasurfaces; wykorzystując swoją wysoką precyzję, wysoką rozdzielczość i Dzięki możliwościom przetwarzania trójwymiarowego laser femtosekundowy może przygotowywać lub integrować mikroprzepływowe i optoprzepływowe układy scalone, takie jak elementy mikrogrzejników i trójwymiarowe kanały mikroprzepływowe; Ponadto laser femtosekundowy może również przygotowywać różnego rodzaju mikro-nanostruktury powierzchniowe w celu uzyskania właściwości antyrefleksyjnych, antyrefleksyjnych, superhydrofobowych, przeciwoblodzeniowych i innych. Co więcej, laser femtosekundowy znalazł również zastosowanie w biomedycynie, wykazując się wyjątkową wydajnością w takich dziedzinach jak mikrostenty biologiczne, podłoża do hodowli komórkowych i obrazowanie mikroskopowe w biologii. Szerokie perspektywy zastosowań. Obecnie obszary zastosowań lasera femtosekundowego z roku na rok się rozszerzają. Oprócz wspomnianych powyżej zastosowań w mikrooptyce, mikroprzepływach, wielofunkcyjnych mikro-nanostrukturach i inżynierii biomedycznej, odgrywa on również ogromną rolę w niektórych rozwijających się dziedzinach, takich jak przygotowanie metapowierzchni, mikro-nanoprodukcja i wielowymiarowe optyczne przechowywanie informacji itp.
Czas publikacji: 17 kwietnia 2024 r.
