Въпреки че свръхбързите лазери съществуват от десетилетия, индустриалните приложения се разраснаха бързо през последните две десетилетия. През 2019 г. пазарната стойност на ултрабързителазерен материалобработката е била приблизително 460 милиона щатски долара, с общ годишен темп на растеж от 13%. Областите на приложение, в които ултрабързите лазери са били успешно използвани за обработка на промишлени материали, включват производство и ремонт на фотомаска в полупроводниковата индустрия, както и рязане на силиций, рязане/писване на стъкло и (индиев калаен оксид) отстраняване на ITO филм в потребителска електроника като мобилни телефони и таблети , текстуриране на буталото за автомобилната индустрия, производство на коронарни стентове и производство на микрофлуидни устройства за медицинската индустрия.
01 Производство и ремонт на фотомаска в полупроводниковата индустрия
Свръхбързите лазери са използвани в едно от най-ранните промишлени приложения в обработката на материали. IBM съобщи за приложението на фемтосекундна лазерна аблация в производството на фотомаски през 90-те години. В сравнение с наносекундната лазерна аблация, която може да причини метални пръски и увреждане на стъклото, фемтосекундните лазерни маски не показват метални пръски, няма увреждане на стъкло и т.н. Предимствата. Този метод се използва за производство на интегрални схеми (IC). Производството на IC чип може да изисква до 30 маски и да струва >100 000 долара. Фемтосекундната лазерна обработка може да обработва линии и точки под 150 n.
Фигура 1. Изработка и ремонт на фотомаска
Фигура 2. Резултати от оптимизация на различни модели на маски за екстремна ултравиолетова литография
02 Рязане на силиций в полупроводниковата индустрия
Нарязването на силиконови пластини е стандартен производствен процес в полупроводниковата индустрия и обикновено се извършва чрез механично нарязване. Тези режещи колела често образуват микропукнатини и са трудни за рязане на тънки (напр. дебелина < 150 μm) пластини. Лазерното рязане на силициеви пластини се използва в полупроводниковата индустрия от много години, особено за тънки пластини (100-200 μm), и се извършва на няколко стъпки: лазерно нарязване, последвано от механично разделяне или стелт рязане (т.е. инфрачервен лазерен лъч вътре силиконовото писане), последвано от механично отделяне на лентата. Наносекундният импулсен лазер може да обработва 15 вафли на час, а пикосекундният лазер може да обработва 23 вафли на час, с по-високо качество.
03 Рязане/писване на стъкло в производството на консумативи за електроника
Сензорните екрани и предпазните стъкла за мобилни телефони и лаптопи стават все по-тънки, а някои геометрични фигури се изкривяват. Това прави традиционното механично рязане по-трудно. Типичните лазери обикновено произвеждат лошо качество на рязане, особено когато тези стъклени дисплеи са подредени на 3-4 слоя и горното защитно стъкло с дебелина 700 μm е закалено, което може да се счупи при локално напрежение. Доказано е, че свръхбързите лазери могат да режат тези стъкла с по-добра здравина на ръба. За рязане на голям плосък панел фемтосекундният лазер може да се фокусира върху задната повърхност на стъкления лист, като надраска вътрешността на стъклото, без да повреди предната повърхност. След това стъклото може да бъде счупено с помощта на механични или термични средства по протежение на чертата.
Фигура 3. Пикосекундно свръхбързо лазерно рязане на стъкло със специална форма
04 Текстури на буталата в автомобилната индустрия
Леките автомобилни двигатели са направени от алуминиеви сплави, които не са толкова устойчиви на износване, колкото чугуна. Проучванията са установили, че фемтосекундната лазерна обработка на текстурите на буталата на автомобили може да намали триенето с до 25%, тъй като отломките и маслото могат да бъдат ефективно съхранявани.
Фигура 4. Фемтосекундна лазерна обработка на бутала на автомобилни двигатели за подобряване на работата на двигателя
05 Производство на коронарни стентове в медицинската индустрия
Милиони коронарни стентове се имплантират в коронарните артерии на тялото, за да отворят канал за преминаване на кръвта в иначе съсирените съдове, спасявайки милиони животи всяка година. Коронарните стентове обикновено се изработват от метална (напр. неръждаема стомана, никел-титанова сплав с памет на формата или по-скоро кобалтово-хромова сплав) телена мрежа с ширина на опората приблизително 100 μm. В сравнение с лазерното рязане с дълъг импулс, предимствата на използването на ултрабързи лазери за рязане на скоби са високо качество на рязане, по-добро покритие на повърхността и по-малко остатъци, което намалява разходите за последваща обработка.
06 Производство на микрофлуидни устройства за медицинската индустрия
Микрофлуидните устройства обикновено се използват в медицинската индустрия за тестване и диагностика на заболявания. Те обикновено се произвеждат чрез микроинжекционно формоване на отделни части и след това свързване чрез залепване или заваряване. Свръхбързото лазерно производство на микрофлуидни устройства има предимството да произвежда 3D микроканали в прозрачни материали като стъкло без необходимост от връзки. Един метод е ултрабързо лазерно производство вътре в насипно стъкло, последвано от мокро химическо ецване, а друг е фемтосекундна лазерна аблация вътре в стъкло или пластмаса в дестилирана вода за отстраняване на отломки. Друг подход е да се обработят канали в стъклената повърхност и да се запечатат със стъклен капак чрез фемтосекундно лазерно заваряване.
Фигура 6. Фемтосекундно лазерно индуцирано селективно ецване за подготовка на микрофлуидни канали в стъклени материали
07 Микро пробиване на инжекторна дюза
Фемтосекундната лазерна обработка на микродупки замени микро-EDM в много компании на пазара на инжектори за високо налягане поради по-голямата гъвкавост при промяна на профилите на отворите за поток и по-кратките времена за обработка. Възможността за автоматично контролиране на позицията на фокуса и наклона на лъча чрез прецесираща сканираща глава е довела до проектирането на профили на апертурата (напр. варел, отблясък, конвергенция, дивергенция), които могат да насърчат атомизацията или проникването в горивната камера. Времето за пробиване зависи от обема на аблация, с дебелина на свредлото от 0,2 – 0,5 mm и диаметър на отвора от 0,12 – 0,25 mm, което прави тази техника десет пъти по-бърза от микро-EDM. Микропробиването се извършва на три етапа, включително груба обработка и завършване на проходни пилотни отвори. Аргонът се използва като спомагателен газ за защита на сондажа от окисляване и за екраниране на крайната плазма по време на началните етапи.
Фигура 7. Фемтосекундна лазерна високопрецизна обработка на обърнат конусен отвор за инжектор на дизелов двигател
08 Ултра бързо лазерно текстуриране
През последните години, за да се подобри точността на машинната обработка, да се намалят материалните щети и да се увеличи ефективността на обработката, полето на микрообработката постепенно се превърна във фокус на изследователите. Свръхбързият лазер има различни предимства при обработката, като ниски щети и висока прецизност, което се превърна в центъра на насърчаването на развитието на технологията за обработка. В същото време ултрабързите лазери могат да действат върху различни материали, а лазерната обработка на материалните щети също е основна изследователска насока. Свръхбърз лазер се използва за аблация на материали. Когато енергийната плътност на лазера е по-висока от прага на аблация на материала, повърхността на аблирания материал ще покаже микро-нано структура с определени характеристики. Изследванията показват, че тази специална повърхностна структура е често срещано явление, което се случва при лазерна обработка на материали. Подготовката на повърхностни микро-нано структури може да подобри свойствата на самия материал и също така да позволи разработването на нови материали. Това прави подготовката на повърхностни микро-нано структури чрез свръхбърз лазер технически метод с важно значение за развитието. Понастоящем, за метални материали, изследванията върху ултрабързото лазерно текстуриране на повърхността могат да подобрят свойствата на овлажняване на металната повърхност, да подобрят свойствата на повърхностно триене и износване, да подобрят адхезията на покритието и насочената пролиферация и адхезия на клетките.
Фигура 8. Суперхидрофобни свойства на лазерно подготвена силициева повърхност
Като авангардна технология за обработка ултрабързата лазерна обработка има характеристиките на малка зона, засегната от топлина, нелинеен процес на взаимодействие с материалите и обработка с висока разделителна способност отвъд границата на дифракция. Може да реализира висококачествена и високопрецизна микро-нано обработка на различни материали. и производство на триизмерни микро-нано структури. Постигането на лазерно производство на специални материали, сложни структури и специални устройства открива нови пътища за микро-нано производство. Понастоящем фемтосекундният лазер се използва широко в много авангардни научни области: фемтосекундният лазер може да се използва за подготовка на различни оптични устройства, като масиви от микролещи, бионични съставни очи, оптични вълноводи и метаповърхности; използвайки своята висока прецизност, висока разделителна способност и възможности за триизмерна обработка, фемтосекундният лазер може да подготви или интегрира микрофлуидни и оптофлуидни чипове като компоненти на микронагреватели и триизмерни микрофлуидни канали; в допълнение, фемтосекундният лазер може също така да подготви различни видове повърхностни микронаноструктури за постигане на антирефлексни, антирефлексни, суперхидрофобни, анти-обледеняващи и други функции; не само това, фемтосекундният лазер е приложен и в областта на биомедицината, показвайки изключителни резултати в области като биологични микростентове, субстрати за клетъчни култури и биологични микроскопични изображения. Широки перспективи за приложение. Понастоящем областите на приложение на фемтосекундната лазерна обработка се разширяват всяка година. В допълнение към гореспоменатата микрооптика, микрофлуидика, многофункционални микронаноструктури и биомедицински инженерни приложения, той също играе огромна роля в някои нововъзникващи области, като подготовка на метаповърхности. , микро-нано производство и многоизмерно съхранение на оптична информация и др.
Време на публикуване: 17 април 2024 г
