Edhe pse lazerët ultra të shpejtë kanë ekzistuar prej dekadash, aplikimet industriale janë rritur me shpejtësi në dy dekadat e fundit. Në vitin 2019, vlera e tregut të lazerëve ultra të shpejtëmaterial lazeriPërpunimi ishte afërsisht 460 milionë dollarë amerikanë, me një normë rritjeje vjetore të përbërë prej 13%. Fushat e aplikimit ku lazerët ultra të shpejtë janë përdorur me sukses për të përpunuar materiale industriale përfshijnë prodhimin dhe riparimin e fotomaskave në industrinë e gjysmëpërçuesve, si dhe prerjen në kubikë të silikonit, prerjen/gdhendjen e qelqit dhe heqjen e filmit ITO (oksid indiumi-kallaji) në elektronikën e konsumit, siç janë telefonat celularë dhe tabletët, teksturimin e pistonit për industrinë e automobilave, prodhimin e stenteve koronare dhe prodhimin e pajisjeve mikrofluidike për industrinë mjekësore.
01 Prodhimi dhe riparimi i fotomaskave në industrinë e gjysmëpërçuesve
Lazerët ultra të shpejtë u përdorën në një nga aplikimet më të hershme industriale në përpunimin e materialeve. IBM raportoi aplikimin e ablacionit me lazer femtosekondë në prodhimin e fotomaskave në vitet 1990. Krahasuar me ablacionin me lazer nanosekondë, i cili mund të prodhojë spërkatje metali dhe dëmtim të qelqit, maskat me lazer femtosekondë nuk tregojnë spërkatje metali, dëmtim të qelqit, etj. Përparësitë. Kjo metodë përdoret për të prodhuar qarqe të integruara (IC). Prodhimi i një çipi IC mund të kërkojë deri në 30 maska dhe të kushtojë >$100,000. Përpunimi me lazer femtosekondë mund të përpunojë linja dhe pika nën 150 nm.
Figura 1. Prodhimi dhe riparimi i fotomaskës
Figura 2. Rezultatet e optimizimit të modeleve të ndryshme të maskave për litografinë ultraviolet ekstreme
02 Prerja e silikonit në industrinë e gjysmëpërçuesve
Prerja në kubikë e pllakave të silikonit është një proces standard prodhimi në industrinë e gjysmëpërçuesve dhe zakonisht kryhet duke përdorur prerje mekanike. Këto rrota prerëse shpesh zhvillojnë mikroçarje dhe është e vështirë të priten pllaka të holla (p.sh. trashësi < 150 μm). Prerja me lazer e pllakave të silikonit është përdorur në industrinë e gjysmëpërçuesve për shumë vite, veçanërisht për pllakat e holla (100-200 μm), dhe kryhet në hapa të shumëfishtë: prerje me lazer, e ndjekur nga ndarja mekanike ose prerja e fshehtë (p.sh., rreze lazeri infra të kuqe brenda prerjes së silikonit) e ndjekur nga ndarja mekanike me shirit. Lazeri me puls nanosekondash mund të përpunojë 15 pllaka në orë, dhe lazeri pikosekondash mund të përpunojë 23 pllaka në orë, me cilësi më të lartë.
03 Prerja/gdhendja e qelqit në industrinë e elektronikës së konsumueshme
Ekranet me prekje dhe syzet mbrojtëse për telefonat celularë dhe laptopët po bëhen më të holla dhe disa forma gjeometrike janë të lakuara. Kjo e bën prerjen tradicionale mekanike më të vështirë. Lazerët tipikë zakonisht prodhojnë cilësi të dobët prerjeje, veçanërisht kur këto ekrane qelqi janë të vendosura në 3-4 shtresa dhe qelqi mbrojtës i sipërm me trashësi 700 μm është i temperuar, i cili mund të thyhet nga stresi i lokalizuar. Lazerët ultra të shpejtë kanë treguar se janë në gjendje të presin këto syze me forcë më të mirë të skajit. Për prerjen e paneleve të sheshta të mëdha, lazeri femtosekondë mund të fokusohet në sipërfaqen e pasme të fletës së qelqit, duke gërvishtur pjesën e brendshme të qelqit pa dëmtuar sipërfaqen e përparme. Xhami më pas mund të thyhet duke përdorur mjete mekanike ose termike përgjatë modelit të shënuar.
Figura 3. Prerje qelqi me formë të veçantë me lazer ultra të shpejtë në pikosekondë
04 Teksturat e pistonit në industrinë e automobilave
Motorët e makinave të lehta janë bërë nga lidhje alumini, të cilat nuk janë aq rezistente ndaj konsumimit sa giza. Studimet kanë zbuluar se përpunimi me lazer femtosekondë i teksturave të pistonit të makinave mund të zvogëlojë fërkimin deri në 25% sepse mbeturinat dhe vaji mund të ruhen në mënyrë efektive.
Figura 4. Përpunimi me lazer femtosekondë i pistoneve të motorit të automobilave për të përmirësuar performancën e motorit
05 Prodhimi i stenteve koronare në industrinë mjekësore
Miliona stenta koronare implantohen në arteriet koronare të trupit për të hapur një kanal që gjaku të rrjedhë në enët e gjakut që përndryshe janë të mpiksura, duke shpëtuar miliona jetë çdo vit. Stentat koronare zakonisht bëhen nga rrjetë teli metalike (p.sh., çelik inox, aliazh nikel-titanium me memorie forme, ose më së fundmi aliazh kobalt-krom) me një gjerësi mbështetëse prej afërsisht 100 μm. Krahasuar me prerjen me lazer me puls të gjatë, avantazhet e përdorimit të lazerëve ultra të shpejtë për të prerë kllapat janë cilësia e lartë e prerjes, përfundimi më i mirë i sipërfaqes dhe më pak mbeturina, gjë që zvogëlon kostot e përpunimit pas përpunimit.
06 Prodhimi i pajisjeve mikrofluidike për industrinë mjekësore
Pajisjet mikrofluidike përdoren zakonisht në industrinë mjekësore për testimin dhe diagnostikimin e sëmundjeve. Këto zakonisht prodhohen me anë të formimit me mikro-injeksion të pjesëve individuale dhe më pas lidhjes duke përdorur ngjitje ose saldim. Prodhimi ultra i shpejtë me lazer i pajisjeve mikrofluidike ka avantazhin e prodhimit të mikrokanaleve 3D brenda materialeve transparente si qelqi pa pasur nevojë për lidhje. Një metodë është prodhimi ultra i shpejtë me lazer brenda një xhami të trashë, i ndjekur nga gdhendja kimike e lagësht, dhe një tjetër është ablacioni me lazer femtosekondë brenda qelqit ose plastikës në ujë të distiluar për të hequr mbeturinat. Një qasje tjetër është përpunimi i kanaleve në sipërfaqen e qelqit dhe vulosja e tyre me një mbulesë qelqi nëpërmjet saldimit me lazer femtosekondë.
Figura 6. Gdhendje selektive e induktuar me lazer femtosekondë për të përgatitur kanale mikrofluidike brenda materialeve të qelqit
07 Mikro-shpimi i grykës së injektorit
Përpunimi i mikrovrimave me lazer femtosekondë ka zëvendësuar mikro-EDM në shumë kompani në tregun e injektorëve me presion të lartë për shkak të fleksibilitetit më të madh në ndryshimin e profileve të vrimave të rrjedhjes dhe kohërave më të shkurtra të përpunimit. Aftësia për të kontrolluar automatikisht pozicionin e fokusit dhe pjerrësinë e rrezes përmes një koke skanimi që përpunon ka çuar në projektimin e profileve të hapjes (p.sh., fuçi, shpërthim, konvergjencë, divergjencë) që mund të nxisin atomizimin ose depërtimin në dhomën e djegies. Koha e shpimit varet nga vëllimi i ablacionit, me trashësi shpimi prej 0.2 - 0.5 mm dhe diametër vrime prej 0.12 - 0.25 mm, duke e bërë këtë teknikë dhjetë herë më të shpejtë se mikro-EDM. Mikro-shpimi kryhet në tre faza, duke përfshirë përpunimin e ashpër dhe përfundimin e vrimave pilot përmes. Argoni përdoret si një gaz ndihmës për të mbrojtur vrimën e shpimit nga oksidimi dhe për të mbrojtur plazmën përfundimtare gjatë fazave fillestare.
Figura 7. Përpunimi me precizion të lartë me lazer femtosekondë i vrimës konike të përmbysur për injektorin e motorit me naftë
08 Teksturizim me lazer ultra i shpejtë
Në vitet e fundit, me qëllim përmirësimin e saktësisë së përpunimit, zvogëlimin e dëmtimit të materialit dhe rritjen e efikasitetit të përpunimit, fusha e mikropërpunimit është bërë gradualisht një fokus i studiuesve. Lazeri ultra i shpejtë ka avantazhe të ndryshme të përpunimit, të tilla si dëmtimi i ulët dhe saktësia e lartë, gjë që është bërë fokusi i promovimit të zhvillimit të teknologjisë së përpunimit. Në të njëjtën kohë, lazerët ultra të shpejtë mund të veprojnë në një sërë materialesh, dhe përpunimi me lazer i dëmtimit të materialit është gjithashtu një drejtim i rëndësishëm kërkimor. Lazeri ultra i shpejtë përdoret për të ablatuar materialet. Kur dendësia e energjisë së lazerit është më e lartë se pragu i ablacionit të materialit, sipërfaqja e materialit të ablacionuar do të tregojë një strukturë mikro-nano me karakteristika të caktuara. Hulumtimet tregojnë se kjo strukturë e veçantë sipërfaqësore është një fenomen i zakonshëm që ndodh gjatë përpunimit me lazer të materialeve. Përgatitja e strukturave mikro-nano sipërfaqësore mund të përmirësojë vetitë e vetë materialit dhe gjithashtu të mundësojë zhvillimin e materialeve të reja. Kjo e bën përgatitjen e strukturave mikro-nano sipërfaqësore me lazer ultra të shpejtë një metodë teknike me rëndësi të rëndësishme zhvillimi. Aktualisht, për materialet metalike, kërkimet mbi teksturimin ultra të shpejtë të sipërfaqes me lazer mund të përmirësojnë vetitë e lagështimit të sipërfaqes metalike, të përmirësojnë vetitë e fërkimit dhe konsumimit të sipërfaqes, të rrisin ngjitjen e veshjes dhe përhapjen dhe ngjitjen e drejtuar të qelizave.
Figura 8. Vetitë superhidrofobike të sipërfaqes së silikonit të përgatitur me lazer
Si një teknologji përpunimi e përparuar, përpunimi ultra i shpejtë me lazer ka karakteristikat e zonës së vogël të prekur nga nxehtësia, procesit jolinear të bashkëveprimit me materialet dhe përpunimit me rezolucion të lartë përtej limitit të difraksionit. Ai mund të realizojë përpunim mikro-nano me cilësi të lartë dhe precizion të lartë të materialeve të ndryshme, si dhe fabrikim të strukturave mikro-nano tre-dimensionale. Arritja e prodhimit me lazer të materialeve speciale, strukturave komplekse dhe pajisjeve speciale hap rrugë të reja për prodhimin mikro-nano. Aktualisht, lazeri femtosekondë është përdorur gjerësisht në shumë fusha shkencore të përparuara: lazeri femtosekondë mund të përdoret për të përgatitur pajisje të ndryshme optike, të tilla si vargje mikrolentesh, sy të përbërë bionikë, valëpërçues optikë dhe metasipërfaqe; duke përdorur precizionin e tij të lartë, rezolucionin e lartë dhe me aftësitë e përpunimit tre-dimensional, lazeri femtosekondë mund të përgatisë ose integrojë çipa mikrofluidikë dhe optofluidikë, të tilla si komponentë mikrongrohës dhe kanale mikrofluidike tre-dimensionale. Përveç kësaj, lazeri femtosekond mund të përgatisë gjithashtu lloje të ndryshme të mikro-nanostrukturave sipërfaqësore për të arritur funksione anti-reflektuese, anti-reflektuese, super-hidrofobike, anti-akullore dhe funksione të tjera; jo vetëm kaq, lazeri femtosekond është aplikuar edhe në fushën e biomjekësisë, duke treguar performancë të jashtëzakonshme në fusha të tilla si mikro-stentet biologjike, substratet e kulturës qelizore dhe imazhet mikroskopike biologjike. Perspektiva të gjera aplikimi. Aktualisht, fushat e aplikimit të përpunimit me lazer femtosekond po zgjerohen vit pas viti. Përveç mikrooptikës, mikrofluidikës, mikro-nanostrukturave shumëfunksionale dhe aplikimeve të inxhinierisë biomjekësore të përmendura më sipër, ai gjithashtu luan një rol të madh në disa fusha në zhvillim, të tilla si përgatitja e metasipërfaqeve, prodhimi i mikro-nano-ve dhe ruajtja e informacionit optik shumëdimensional, etj.
Koha e postimit: 17 Prill 2024
