Nors itin greiti lazeriai buvo naudojami dešimtmečius, pramoninis pritaikymas sparčiai išaugo per pastaruosius du dešimtmečius. 2019 m. rinkos vertė ultrafastlazerinė medžiagaperdirbimas sudarė apie 460 milijonų JAV dolerių, o metinis augimas siekė 13%. Taikymo sritys, kuriose itin greiti lazeriai buvo sėkmingai naudojami pramoninėms medžiagoms apdoroti, apima fotokaukių gamybą ir taisymą puslaidininkių pramonėje, taip pat silicio pjaustymą, stiklo pjaustymą ir (indžio alavo oksido) ITO plėvelių šalinimą plataus vartojimo elektronikoje, pavyzdžiui, mobiliuosiuose telefonuose ir planšetiniuose kompiuteriuose. , stūmoklių tekstūravimas automobilių pramonei, vainikinių stentų gamyba ir mikroskysčių prietaisų gamyba medicinos pramonei.
01 Fotokaukių gamyba ir remontas puslaidininkių pramonėje
Itin greiti lazeriai buvo naudojami vienoje iš pirmųjų pramoninių medžiagų apdorojimo programų. IBM pranešė apie femtosekundinės lazerinės abliacijos taikymą fotokaukių gamyboje 1990 m. Palyginti su nanosekundžių lazerio abliacija, kuri gali sukelti metalo purslų ir stiklo pažeidimus, femtosekundinės lazerinės kaukės nerodo metalo purslų, stiklo pažeidimo ir pan. Privalumai. Šis metodas naudojamas integriniams grandynams (IC) gaminti. Norint pagaminti IC lustą, gali prireikti iki 30 kaukių ir kainuoti > 100 000 USD. Femtosekundinis lazerinis apdorojimas gali apdoroti linijas ir taškus, mažesnius nei 150 nm.
1 pav. Fotokaukės gamyba ir taisymas
2 pav. Įvairių kaukių modelių optimizavimo rezultatai ekstremalios ultravioletinės litografijos atveju
02 Silicio pjovimas puslaidininkių pramonėje
Silicio plokštelių pjaustymas yra standartinis gamybos procesas puslaidininkių pramonėje ir paprastai atliekamas naudojant mechaninį pjaustymą. Šiuose pjovimo diskuose dažnai susidaro mikroįtrūkimai ir sunku išpjauti plonas (pvz., storis < 150 μm) plokšteles. Silicio plokštelių pjovimas lazeriu jau daugelį metų naudojamas puslaidininkių pramonėje, ypač plonoms plokštelėms (100–200 μm), ir atliekamas keliais etapais: lazerinis griovelių pjovimas, po kurio atliekamas mechaninis atskyrimas arba slaptas pjovimas (ty infraraudonųjų spindulių lazerio spindulys viduje). silicio įbrėžimas), po kurio atliekamas mechaninis juostos atskyrimas. Nanosekundinis impulsinis lazeris gali apdoroti 15 plokštelių per valandą, o pikosekundinis – 23 plokšteles per valandą, kokybiškiau.
03 Stiklo pjaustymas / karpymas vartojimo elektronikos pramonėje
Jutikliniai ekranai ir apsauginiai akiniai mobiliesiems telefonams ir nešiojamiesiems kompiuteriams plonėja, o kai kurios geometrinės figūros yra išlenktos. Tai apsunkina tradicinį mechaninį pjovimą. Įprasti lazeriai paprastai sukuria prastą pjūvio kokybę, ypač kai šie stikliniai ekranai yra sukrauti 3–4 sluoksniais, o viršutinis 700 μm storio apsauginis stiklas yra grūdintas, kuris gali sulūžti dėl vietinio įtempimo. Įrodyta, kad itin greiti lazeriai gali iškirpti šiuos stiklus su geresne briauna. Didelės plokščios plokštės pjovimo metu femtosekundinis lazeris gali būti sufokusuotas į galinį stiklo lakšto paviršių, subraižyti stiklo vidų nepažeidžiant priekinio paviršiaus. Tada stiklą galima išdaužti mechaninėmis arba terminėmis priemonėmis išilgai įbrėžto rašto.
3 pav. Pikosekundinis itin greitas lazerinis stiklo pjovimas specialios formos
04 Stūmoklių tekstūros automobilių pramonėje
Lengvų automobilių varikliai gaminami iš aliuminio lydinių, kurie nėra tokie atsparūs dilimui kaip ketaus. Tyrimais nustatyta, kad automobilių stūmoklių tekstūrų apdirbimas femtosekundiniu lazeriu gali sumažinti trintį iki 25%, nes galima efektyviai saugoti šiukšles ir alyvą.
4 pav. Femtosekundinis automobilių variklių stūmoklių apdorojimas lazeriu, siekiant pagerinti variklio veikimą
05 Vainikinių arterijų stentų gamyba medicinos pramonėje
Milijonai vainikinių stentų implantuojami į kūno vainikines arterijas, kad atvertų kanalą kraujui tekėti į kitaip krešulius kraujagysles, kasmet išgelbėdami milijonus gyvybių. Koronariniai stentai paprastai gaminami iš metalo (pvz., nerūdijančio plieno, nikelio ir titano formos atminties lydinio arba pastaruoju metu kobalto ir chromo lydinio) vielos tinklo, kurio statramsčio plotis yra maždaug 100 μm. Palyginti su ilgo impulso pjovimu lazeriu, ypač greitų lazerių naudojimo gembėms pjauti privalumai yra aukšta pjovimo kokybė, geresnė paviršiaus apdaila ir mažiau šiukšlių, o tai sumažina tolesnio apdorojimo išlaidas.
06 Mikrofluidinių prietaisų gamyba medicinos pramonei
Mikrofluidiniai prietaisai dažniausiai naudojami medicinos pramonėje ligoms tirti ir diagnozuoti. Paprastai jie gaminami atskirų dalių mikroįpurškimo būdu, o po to sujungiami klijuojant arba suvirinant. Itin greitas mikrofluidinių prietaisų gaminimas lazeriu turi pranašumą, nes sukuria 3D mikrokanalus per skaidrias medžiagas, tokias kaip stiklas, nereikalaujant jungčių. Vienas iš būdų yra itin greitas lazerinis gaminimas biriame stikle, po kurio atliekamas šlapias cheminis ėsdinimas, o kitas – femtosekundinė lazerinė abliacija stiklo ar plastiko viduje distiliuotame vandenyje, siekiant pašalinti šiukšles. Kitas būdas yra įtaisyti kanalus į stiklo paviršių ir užsandarinti juos stikliniu dangteliu femtosekundiniu lazeriu suvirinant.
6 pav. Femtosekundiniu lazeriu sukeltas selektyvus ėsdinimas, skirtas paruošti mikrofluidinius kanalus stiklo medžiagose
07 Purkštuko antgalio mikrogręžimas
Femtosekundinis lazerinis mikroskylių apdirbimas pakeitė mikro-EDM daugelyje aukšto slėgio purkštukų rinkos įmonių dėl didesnio lankstumo keičiant srauto angų profilius ir trumpesnį apdirbimo laiką. Galimybė automatiškai valdyti fokusavimo padėtį ir pluošto pakreipimą per precesuojančią nuskaitymo galvutę leido sukurti diafragmos profilius (pvz., cilindrą, pliūpsnį, konvergenciją, divergenciją), kurie gali paskatinti purškimą arba prasiskverbimą į degimo kamerą. Gręžimo laikas priklauso nuo abliacijos tūrio, gręžimo storis 0,2–0,5 mm, o skylės skersmuo 0,12–0,25 mm, todėl ši technika yra dešimt kartų greitesnė nei mikro-EDM. Mikrogręžimas atliekamas trimis etapais, įskaitant grublėtą gręžimą ir bandomųjų skylių apdailą. Argonas naudojamas kaip pagalbinės dujos, siekiant apsaugoti gręžinį nuo oksidacijos ir apsaugoti galutinę plazmą pradiniuose etapuose.
7 pav. Femtosekundinis lazerinis didelio tikslumo apverstos kūginės skylės dyzelinio variklio purkštuko apdorojimas
08 Itin greitas tekstūravimas lazeriu
Pastaraisiais metais, siekiant pagerinti apdirbimo tikslumą, sumažinti materialinę žalą ir padidinti apdorojimo efektyvumą, mikroapdirbimo sritis palaipsniui tapo tyrėjų dėmesio centre. Itin greitas lazeris turi įvairių apdorojimo pranašumų, tokių kaip maža žala ir didelis tikslumas, dėl kurių buvo siekiama skatinti apdorojimo technologijų plėtrą. Tuo pačiu metu itin greiti lazeriai gali veikti įvairias medžiagas, o lazeriu apdorojamų medžiagų pažeidimai taip pat yra pagrindinė tyrimų kryptis. Itin greitas lazeris naudojamas medžiagoms valyti. Kai lazerio energijos tankis yra didesnis nei medžiagos abliacijos slenkstis, abliuojamos medžiagos paviršius parodys mikronano struktūrą su tam tikromis savybėmis. Tyrimai rodo, kad ši ypatinga paviršiaus Struktūra yra dažnas reiškinys, atsirandantis apdorojant medžiagas lazeriu. Paviršiaus mikro-nano struktūrų paruošimas gali pagerinti pačios medžiagos savybes ir taip pat sudaryti sąlygas kurti naujas medžiagas. Dėl to paviršinių mikro-nano struktūrų paruošimas itin greitu lazeriu yra techninis metodas, turintis didelę plėtrą. Šiuo metu metalinių medžiagų atveju itin greito lazerinio paviršiaus tekstūravimo tyrimai gali pagerinti metalo paviršiaus drėkinimo savybes, pagerinti paviršiaus trinties ir dilimo savybes, pagerinti dangos sukibimą ir kryptingą ląstelių dauginimąsi bei sukibimą.
8 pav. Lazeriu paruošto silicio paviršiaus superhidrofobinės savybės
Kaip pažangiausia apdorojimo technologija, itin greitas apdorojimas lazeriu pasižymi mažos šilumos paveiktos zonos, nelinijinio sąveikos su medžiagomis proceso ir didelės skiriamosios gebos apdorojimo, viršijančio difrakcijos ribą, charakteristikas. Jis gali atlikti aukštos kokybės ir didelio tikslumo įvairių medžiagų mikro-nano apdorojimą. ir trimatės mikro-nano struktūros gamyba. Specialių medžiagų, sudėtingų konstrukcijų ir specialių prietaisų lazerinės gamybos pasiekimas atveria naujas mikronano gamybos galimybes. Šiuo metu femtosekundinis lazeris plačiai naudojamas daugelyje pažangiausių mokslo sričių: femtosekundiniu lazeriu galima paruošti įvairius optinius įrenginius, tokius kaip mikrolęšių matricos, bioninės sudėtinės akys, optiniai bangolaidžiai ir metapaviršiai; Naudojant didelį tikslumą, didelę skiriamąją gebą ir trimačio apdorojimo galimybes, femtosekundinis lazeris gali paruošti arba integruoti mikroskysčių ir optoskysčių lustus, pvz., mikrošildytuvo komponentus ir trimačius mikrofluidinius kanalus; be to, femtosekundinis lazeris taip pat gali paruošti įvairių tipų paviršiaus mikro nanostruktūras, kad būtų pasiektos antirefleksinės, antirefleksinės, superhidrofobinės, apsaugos nuo apledėjimo ir kitos funkcijos; ne tik, femtosekundinis lazeris taip pat buvo pritaikytas biomedicinos srityje, rodantis išskirtinius rezultatus tokiose srityse kaip biologiniai mikrostentai, ląstelių kultūros substratai ir biologinis mikroskopinis vaizdavimas. Plačios taikymo perspektyvos. Šiuo metu femtosekundinio lazerio apdorojimo taikymo sritys kasmet plečiasi. Be pirmiau minėtų mikrooptikos, mikrofluidikos, daugiafunkcinių mikro nanostruktūrų ir biomedicinos inžinerijos programų, ji taip pat vaidina didžiulį vaidmenį kai kuriose besiformuojančiose srityse, pavyzdžiui, metasurface paruošime. , mikronano gamyba ir daugiamatė optinė informacijos saugykla ir kt.
Paskelbimo laikas: 2024-04-17
