Vaikka ultranopeita lasereita on ollut olemassa vuosikymmeniä, teolliset sovellukset ovat kasvaneet nopeasti viimeisen kahden vuosikymmenen aikana. Vuonna 2019 ultranopean markkina-arvolaser materiaaliakäsittely oli noin 460 miljoonaa dollaria, ja vuosikasvu oli 13 %. Sovellusalueita, joissa ultranopeita lasereita on käytetty menestyksekkäästi teollisuusmateriaalien käsittelyyn, ovat valonaamarien valmistus ja korjaus puolijohdeteollisuudessa sekä piin paloittelu, lasin leikkaus/kirjoitus ja (indiumtinaoksidi) ITO-kalvon poisto kulutuselektroniikassa, kuten matkapuhelimissa ja tableteissa. , mäntien teksturointi autoteollisuudelle, sepelvaltimostentin valmistus ja mikrofluidilaitteiden valmistus lääketeollisuudelle.
01 Photomaskin valmistus ja korjaus puolijohdeteollisuudessa
Ultranopeita lasereita käytettiin eräässä aikaisimmista teollisista sovelluksista materiaalien käsittelyssä. IBM raportoi femtosekundin laserablaation soveltamisesta fotomaskien tuotannossa 1990-luvulla. Verrattuna nanosekunnin laserablaatioon, joka voi aiheuttaa metalliroiskeita ja lasivaurioita, femtosekunnin lasermaskit eivät näytä metalliroiskeita, lasivaurioita jne. Edut. Tätä menetelmää käytetään integroitujen piirien (ICs) tuottamiseen. IC-sirun tuottaminen voi vaatia jopa 30 maskia ja maksaa > 100 000 dollaria. Femtosekunnin laserkäsittely voi käsitellä viivoja ja pisteitä alle 150 nm.
Kuva 1. Photomaskin valmistus ja korjaus
Kuva 2. Optimointitulokset erilaisista maskikuvioista äärimmäiselle ultraviolettilitografialle
02 Piin leikkaus puolijohdeteollisuudessa
Piikiekkojen paloittelu on puolijohdeteollisuudessa tavallinen valmistusprosessi, ja se suoritetaan tyypillisesti mekaanisella kuutiolla. Näissä leikkuulaikoissa syntyy usein mikrohalkeamia, ja ohuita (esim. paksuus < 150 μm) kiekkoja on vaikea leikata. Piikiekkojen laserleikkausta on käytetty puolijohdeteollisuudessa useiden vuosien ajan, erityisesti ohuille kiekkoille (100-200 μm), ja se suoritetaan useissa vaiheissa: laseruritus, jota seuraa mekaaninen erotus tai piiloleikkaus (eli infrapuna lasersäde sisällä). silikonikirjoitus), jota seuraa mekaaninen teippierotus. Nanosekunnin pulssilaser pystyy käsittelemään 15 kiekkoa tunnissa ja pikosekundisellä laserilla 23 kiekkoa tunnissa laadukkaammin.
03 Lasin leikkaaminen/leikkaus kulutuselektroniikkateollisuudessa
Matkapuhelimien ja kannettavien tietokoneiden kosketusnäytöt ja suojalasit ohenevat ja jotkut geometriset muodot ovat kaarevia. Tämä tekee perinteisestä mekaanisesta leikkaamisesta vaikeampaa. Tyypilliset laserit tuottavat tyypillisesti huonoa leikkauslaatua, varsinkin kun nämä lasinäytöt on pinottu 3-4 kerrokseksi ja ylin 700 μm:n paksuinen suojalasi on karkaistu, mikä voi rikkoutua paikallisen jännityksen vaikutuksesta. Ultranopeiden lasereiden on osoitettu pystyvän leikkaamaan nämä lasit paremmalla reunalujuudella. Suuren litteän paneelin leikkauksessa femtosekunnin laser voidaan tarkentaa lasilevyn takapinnalle, naarmuttaen lasin sisäpintaa vahingoittamatta etupintaa. Lasi voidaan sitten rikkoa mekaanisin tai lämpökeinoilla uurrettua kuviota pitkin.
Kuva 3. Picosecond ultranopea laserlasin erikoismuotoinen leikkaus
04 Männän tekstuurit autoteollisuudessa
Kevyet automoottorit on valmistettu alumiiniseoksista, jotka eivät ole yhtä kulutusta kestäviä kuin valurauta. Tutkimukset ovat osoittaneet, että auton mäntien pintakuvioiden femtosekunnin laserkäsittely voi vähentää kitkaa jopa 25 %, koska roskat ja öljy voidaan varastoida tehokkaasti.
Kuva 4. Auton moottorin mäntien Femtosekunnin laserkäsittely moottorin suorituskyvyn parantamiseksi
05 Sepelvaltimostentin valmistus lääketeollisuudessa
Miljoonia sepelvaltimon stenttejä istutetaan kehon sepelvaltimoihin avaamaan kanava veren virtaukselle muutoin hyytyneisiin suoniin, mikä säästää miljoonia ihmishenkiä joka vuosi. Sepelvaltimon stentit valmistetaan tyypillisesti metalliverkosta (esim. ruostumaton teräs, nikkeli-titaani-muotomuistiseos tai viime aikoina koboltti-kromiseos) metalliverkosta, jonka tuen leveys on noin 100 μm. Verrattuna pitkäpulssiseen laserleikkaukseen ultranopeiden lasereiden käytön etuja kiinnikkeiden leikkaamiseen ovat korkea leikkauslaatu, parempi pinnan viimeistely ja vähemmän roskia, mikä vähentää jälkikäsittelykustannuksia.
06 Mikrofluidilaitteiden valmistus lääketeollisuudelle
Mikrofluidilaitteita käytetään yleisesti lääketeollisuudessa sairauksien testaamiseen ja diagnosointiin. Nämä valmistetaan tyypillisesti yksittäisten osien mikroruiskuvalulla ja sitten liimaamalla liimaamalla tai hitsaamalla. Mikrofluidisten laitteiden ultranopealla laservalmistuksella on se etu, että se tuottaa 3D-mikrokanavia läpinäkyviin materiaaleihin, kuten lasiin, ilman liitäntöjä. Yksi menetelmä on ultranopea laservalmistus bulkkilasin sisällä, jota seuraa märkäkemiallinen etsaus, ja toinen on femtosekunnin laserablaatio lasin tai muovin sisällä tislatussa vedessä roskien poistamiseksi. Toinen tapa on koneistaa kanavia lasin pintaan ja sulkea ne lasikuorella femtosekuntilaserhitsauksella.
Kuva 6. Femtosekunnin laser-indusoitu selektiivinen syövytys mikrofluidikanavien valmistamiseksi lasimateriaalien sisällä
07 Ruiskusuuttimen mikroporaus
Femtosekunnin lasermikroreikätyöstö on korvannut mikro-EDM:n monissa korkeapaineruiskutusmarkkinoiden yrityksissä joustavuuden ansiosta virtausreikien profiilien muuttamisessa ja lyhyempien työstöaikojen ansiosta. Kyky ohjata automaattisesti tarkennuksen asentoa ja säteen kallistusta precessoivan pyyhkäisypään kautta on johtanut aukkoprofiilien suunnitteluun (esim. piippu, välähdys, konvergenssi, hajaantuminen), jotka voivat edistää sumuttamista tai tunkeutumista polttokammioon. Porausaika riippuu ablaatiotilavuudesta. Poran paksuus on 0,2–0,5 mm ja reiän halkaisija 0,12–0,25 mm, mikä tekee tästä tekniikasta kymmenen kertaa nopeamman kuin mikro-EDM. Mikroporaus suoritetaan kolmessa vaiheessa, mukaan lukien rouhinta ja läpivientireikien viimeistely. Argonia käytetään apukaasuna suojaamaan porausreikää hapettumiselta ja suojaamaan lopullista plasmaa alkuvaiheessa.
Kuva 7. Dieselmoottorin ruiskutussuuttimen käänteisen kartiomaisen reiän korkean tarkkuuden käsittely femtosekunnin laserilla
08 Erittäin nopea laserteksturointi
Viime vuosina työstötarkkuuden parantamiseksi, materiaalivaurioiden vähentämiseksi ja työstötehokkuuden lisäämiseksi mikrokoneistuksen ala on vähitellen noussut tutkijoiden painopisteeksi. Ultranopealla laserilla on useita prosessointietuja, kuten vähäiset vauriot ja korkea tarkkuus, joista on tullut käsittelytekniikan kehittämisen painopiste. Samaan aikaan ultranopeilla lasereilla voidaan vaikuttaa monenlaisiin materiaaleihin, ja laserkäsittelyn materiaalivauriot ovat myös tärkeä tutkimussuunta. Ultranopeaa laseria käytetään materiaalien poistamiseen. Kun laserin energiatiheys on korkeampi kuin materiaalin ablaatiokynnys, abloidun materiaalin pinnalla näkyy mikronanorakenne, jolla on tietyt ominaisuudet. Tutkimukset osoittavat, että tämä erityinen pintarakenne on yleinen ilmiö, joka ilmenee materiaalien laserkäsittelyssä. Pinta-mikronanorakenteiden valmistelu voi parantaa itse materiaalin ominaisuuksia ja mahdollistaa myös uusien materiaalien kehittämisen. Tämä tekee pinnan mikronanorakenteiden valmistuksesta ultranopealla laserilla teknisen menetelmän, jolla on tärkeä kehitysmerkitys. Tällä hetkellä metallimateriaalien ultranopean laserpintojen teksturoinnin tutkimus voi parantaa metallipinnan kostutusominaisuuksia, parantaa pinnan kitkaa ja kulumisominaisuuksia, parantaa pinnoitteen tarttuvuutta sekä solujen suunnattua lisääntymistä ja adheesiota.
Kuva 8. Laservalmistetun piipinnan superhydrofobiset ominaisuudet
Äärimmäisenä prosessointiteknologiana ultranopealla laserprosessoinnilla on ominaisuudet pieni lämpövaikutusalue, epälineaarinen vuorovaikutusprosessi materiaalien kanssa ja korkearesoluutioinen käsittely diffraktiorajan yli. Se voi toteuttaa eri materiaalien korkealaatuista ja tarkkaa mikronanokäsittelyä. ja kolmiulotteisen mikronanorakenteen valmistus. Erikoismateriaalien, monimutkaisten rakenteiden ja erikoislaitteiden laservalmistuksen saavuttaminen avaa uusia mahdollisuuksia mikronanovalmistukseen. Tällä hetkellä femtosekuntilaseria on käytetty laajalti monilla huippuluokan tieteenaloilla: femtosekunnin laserilla voidaan valmistaa erilaisia optisia laitteita, kuten mikrolinssiryhmiä, bionisia yhdistesilmiä, optisia aaltoputkia ja metapintoja; Käyttämällä sen suurta tarkkuutta, korkeaa resoluutiota ja kolmiulotteisten käsittelyominaisuuksien ansiosta femtosekunnin laserilla voidaan valmistaa tai integroida mikrofluidi- ja optofluidisiruja, kuten mikrolämmitinkomponentteja ja kolmiulotteisia mikrofluidikanavia; lisäksi femtosekunnin laserilla voidaan myös valmistaa erilaisia pinnan mikronanorakenteita heijastuksenesto-, heijastuksenesto-, superhydrofobisten, jäätymisenesto- ja muiden toimintojen saavuttamiseksi; femtosekunnin laseria on käytetty myös biolääketieteen alalla, ja se on osoittanut erinomaista suorituskykyä sellaisilla aloilla kuin biologiset mikrostentit, soluviljelysubstraatit ja biologinen mikroskooppinen kuvantaminen. Laajat sovellusmahdollisuudet. Tällä hetkellä femtosekundin laserkäsittelyn sovellusalat laajenevat vuosi vuodelta. Edellä mainittujen mikrooptiikan, mikrofluidiikan, monitoimisten mikronanorakenteiden ja biolääketieteellisten teknisten sovellusten lisäksi sillä on valtava rooli myös joillakin nousevilla aloilla, kuten metasurfacen valmistelussa. , mikronanovalmistus ja moniulotteinen optinen tiedon tallennus jne.
Postitusaika: 17.4.2024
