Čeprav so ultra hitri laserji prisotni že desetletja, se je industrijska uporaba v zadnjih dveh desetletjih hitro povečala.V letu 2019 je tržna vrednost ultrahitregalaserski materialpredelava je znašala približno 460 milijonov USD s skupno letno stopnjo rasti 13 %.Področja uporabe, kjer so bili ultrahitri laserji uspešno uporabljeni za obdelavo industrijskih materialov, vključujejo izdelavo in popravilo fotomask v industriji polprevodnikov ter rezanje silicija, rezanje stekla/piskanje in odstranjevanje filma (indijevega kositrovega oksida) ITO v potrošniški elektroniki, kot so mobilni telefoni in tablični računalniki. , teksturiranje batov za avtomobilsko industrijo, proizvodnja koronarnih stentov in proizvodnja mikrofluidnih naprav za medicinsko industrijo.
01 Izdelava in popravilo fotomask v industriji polprevodnikov
Ultrahitri laserji so bili uporabljeni v eni od prvih industrijskih aplikacij pri obdelavi materialov.IBM je poročal o uporabi femtosekundne laserske ablacije pri proizvodnji fotomask v devetdesetih letih.V primerjavi z nanosekundno lasersko ablacijo, ki lahko povzroči brizganje kovin in poškodbe stekla, femtosekundne laserske maske ne kažejo brizganja kovin, poškodb stekla itd. Prednosti.Ta metoda se uporablja za izdelavo integriranih vezij (IC).Izdelava čipa IC lahko zahteva do 30 mask in stane >100.000 $.Femtosekundna laserska obdelava lahko obdeluje črte in točke pod 150 n.
Slika 1. Izdelava in popravilo fotomaske
Slika 2. Rezultati optimizacije različnih vzorcev maske za ekstremno ultravijolično litografijo
02 Rezanje silicija v industriji polprevodnikov
Rezanje silicijevih rezin je standardni proizvodni postopek v industriji polprevodnikov in se običajno izvaja z mehanskim rezanjem.Na teh rezalnih kolesih se pogosto pojavijo mikrorazpoke in je težko rezati tanke (npr. debeline < 150 μm) rezine.Lasersko rezanje silicijevih rezin se že vrsto let uporablja v industriji polprevodnikov, zlasti za tanke rezine (100-200 μm), in se izvaja v več korakih: lasersko žlebljenje, ki mu sledi mehansko ločevanje ali prikrito rezanje (tj. infrardeči laserski žarek v notranjosti). silicijevo piskanje), ki mu sledi mehansko ločevanje traku.Nanosekundni pulzni laser lahko obdela 15 rezin na uro, pikosekundni laser pa lahko obdela 23 rezin na uro, in sicer z višjo kakovostjo.
03 Rezanje/piskanje stekla v industriji potrošne elektronike
Zasloni na dotik in zaščitna stekla za mobilne telefone in prenosnike postajajo vse tanjši, nekatere geometrijske oblike pa ukrivljene.To oteži tradicionalno mehansko rezanje.Običajni laserji običajno proizvajajo slabo kakovost rezanja, še posebej, če so ti stekleni zasloni zloženi v 3-4 plasti in je zgornje 700 μm debelo zaščitno steklo kaljeno, kar lahko poči zaradi lokalne obremenitve.Izkazalo se je, da so ultra hitri laserji sposobni rezati ta stekla z boljšo trdnostjo robov.Za rezanje velikih ploščatih plošč lahko femtosekundni laser usmerite na zadnjo površino steklene plošče in opraskate notranjost stekla, ne da bi poškodovali sprednjo površino.Steklo je nato mogoče razbiti z mehanskimi ali termičnimi sredstvi vzdolž zarezanega vzorca.
Slika 3. Pikosekundno ultrahitro lasersko rezanje posebne oblike stekla
04 Teksture bata v avtomobilski industriji
Lahki avtomobilski motorji so narejeni iz aluminijevih zlitin, ki niso tako odporne na obrabo kot lito železo.Študije so pokazale, da lahko femtosekundna laserska obdelava tekstur avtomobilskih batov zmanjša trenje do 25 %, ker je mogoče učinkovito shraniti ostanke in olje.
Slika 4. Femtosekundna laserska obdelava batov avtomobilskih motorjev za izboljšanje zmogljivosti motorja
05 Izdelava koronarnih stentov v medicinski industriji
Na milijone koronarnih stentov vsadijo v telesne koronarne arterije, da se odpre kanal za pretok krvi v sicer zamašene žile, s čimer se vsako leto rešijo milijoni življenj.Koronarni stenti so običajno izdelani iz kovinske (npr. iz nerjavečega jekla, zlitine s spominom oblike nikelj-titan ali v zadnjem času iz zlitine kobalta in kroma) žične mreže s širino opore približno 100 μm.V primerjavi z laserskim rezanjem z dolgimi impulzi so prednosti uporabe ultrahitrih laserjev za rezanje nosilcev visoka kakovost reza, boljša površinska obdelava in manj odpadkov, kar zmanjša stroške naknadne obdelave.
06 Proizvodnja mikrofluidnih naprav za medicinsko industrijo
Mikrofluidne naprave se pogosto uporabljajo v medicinski industriji za testiranje in diagnosticiranje bolezni.Ti so običajno izdelani z mikrobrizganjem posameznih delov in nato lepljenjem z lepljenjem ali varjenjem.Izjemno hitra laserska izdelava mikrofluidnih naprav ima prednost pri izdelavi 3D mikrokanalov znotraj prozornih materialov, kot je steklo, brez potrebe po povezavah.Ena metoda je ultrahitra laserska izdelava znotraj stekla, ki mu sledi mokro kemično jedkanje, druga pa je femtosekundna laserska ablacija znotraj stekla ali plastike v destilirani vodi za odstranitev ostankov.Drugi pristop je obdelava kanalov v stekleno površino in njihovo zapiranje s steklenim pokrovom s femtosekundnim laserskim varjenjem.
Slika 6. Femtosekundno lasersko povzročeno selektivno jedkanje za pripravo mikrofluidnih kanalov znotraj steklenih materialov
07 Mikro vrtanje injektorske šobe
Femtosekundna laserska obdelava mikroluknjic je nadomestila mikro-EDM v mnogih podjetjih na trgu visokotlačnih injektorjev zaradi večje prilagodljivosti pri spreminjanju profilov pretočnih lukenj in krajših časih obdelave.Zmožnost samodejnega nadzora položaja žarišča in nagiba žarka prek glave za precesiranje skeniranja je vodila do oblikovanja profilov zaslonke (npr. sod, bleščanje, konvergenca, divergenca), ki lahko spodbujajo atomizacijo ali penetracijo v zgorevalno komoro.Čas vrtanja je odvisen od volumna ablacije, z debelino svedra 0,2 – 0,5 mm in premerom luknje 0,12 – 0,25 mm, zaradi česar je ta tehnika desetkrat hitrejša od mikro-EDM.Mikrovrtanje se izvaja v treh fazah, vključno z grobim in končnim obdelavo skoznjih pilotnih lukenj.Argon se uporablja kot pomožni plin za zaščito vrtine pred oksidacijo in za zaščito končne plazme v začetnih fazah.
Slika 7. Femtosekundna laserska visoko natančna obdelava obrnjene konične luknje za injektor dizelskega motorja
08 Izjemno hitro lasersko teksturiranje
V zadnjih letih je področje mikroobdelovanja postopoma postalo središče raziskovalcev, da bi izboljšali natančnost obdelave, zmanjšali materialno škodo in povečali učinkovitost obdelave.Ultrahitri laser ima različne prednosti obdelave, kot sta nizka škoda in visoka natančnost, kar je postalo središče spodbujanja razvoja tehnologije obdelave.Hkrati lahko ultrahitri laserji delujejo na različne materiale, laserska obdelava poškodb materiala pa je tudi glavna raziskovalna smer.Ultra hiter laser se uporablja za ablacijo materialov.Ko je gostota energije laserja višja od praga ablacije materiala, bo površina ablacijskega materiala pokazala mikro-nano strukturo z določenimi lastnostmi.Raziskave kažejo, da je ta posebna površinska struktura pogost pojav, ki se pojavi pri laserski obdelavi materialov.Priprava površinskih mikro-nano struktur lahko izboljša lastnosti samega materiala in omogoči tudi razvoj novih materialov.Zaradi tega je priprava površinskih mikro-nano struktur z ultra hitrim laserjem tehnična metoda s pomembnim razvojnim pomenom.Trenutno lahko za kovinske materiale raziskave o ultra hitrem laserskem površinskem teksturiranju izboljšajo omočilne lastnosti kovinske površine, izboljšajo površinsko trenje in obrabne lastnosti, povečajo oprijem prevleke ter usmerjeno proliferacijo in oprijem celic.
Slika 8. Superhidrofobne lastnosti lasersko pripravljene površine silicija
Kot vrhunska tehnologija obdelave ima ultrahitra laserska obdelava značilnosti majhne toplotno prizadete cone, nelinearnega procesa interakcije z materiali in obdelave z visoko ločljivostjo, ki presega mejo uklona.Lahko realizira visoko kakovostno in visoko natančno mikro-nano obdelavo različnih materialov.in izdelava tridimenzionalne mikro-nano strukture.Doseganje laserske proizvodnje posebnih materialov, kompleksnih struktur in posebnih naprav odpira nove poti za mikro-nano proizvodnjo.Trenutno se femtosekundni laser pogosto uporablja na številnih najsodobnejših znanstvenih področjih: femtosekundni laser se lahko uporablja za pripravo različnih optičnih naprav, kot so nizi mikroleč, bionične sestavljene oči, optični valovod in metapovršine;s svojo visoko natančnostjo, visoko ločljivostjo in zmogljivostmi tridimenzionalne obdelave lahko femtosekundni laser pripravi ali integrira mikrofluidne in optofluidne čipe, kot so komponente mikrogrelnikov in tridimenzionalni mikrofluidni kanali;poleg tega lahko femtosekundni laser pripravi tudi različne vrste površinskih mikronanostruktur za doseganje antirefleksnih, antirefleksnih, superhidrofobnih, proti zaledenitvi in drugih funkcij;ne le to, femtosekundni laser je bil uporabljen tudi na področju biomedicine in je pokazal izjemno učinkovitost na področjih, kot so biološki mikro-stenti, substrati celične kulture in biološko mikroskopsko slikanje.Široke možnosti uporabe.Trenutno se področja uporabe femtosekundne laserske obdelave iz leta v leto širijo.Poleg zgoraj omenjene mikrooptike, mikrofluidike, večnamenskih mikronanostruktur in aplikacij biomedicinskega inženiringa ima tudi veliko vlogo na nekaterih nastajajočih področjih, kot je priprava metapovršin., mikro-nano proizvodnja in večdimenzionalno optično shranjevanje informacij itd.
Čas objave: 17. aprila 2024
