Нягледзячы на тое, што звышхуткія лазеры існуюць дзесяцігоддзямі, за апошнія два дзесяцігоддзі прамысловае прымяненне імкліва пашырылася. У 2019 годзе рынкавы кошт звышхуткіхлазерны матэрыялапрацоўка склала прыкладна 460 мільёнаў долараў ЗША з агульным штогадовым тэмпам росту 13%. Сферы прымянення, у якіх звышхуткія лазеры паспяхова выкарыстоўваліся для апрацоўкі прамысловых матэрыялаў, уключаюць выраб і рамонт фотамаскаў у паўправадніковай прамысловасці, а таксама нарэзку кубікамі крэмнію, рэзку шкла/скрабінг і выдаленне плёнкі (аксід волава індый) у бытавой электроніцы, такой як мабільныя тэлефоны і планшэты. , тэкстураванне поршня для аўтамабільнай прамысловасці, вытворчасць каранарных стэнтаў і вытворчасць мікрафлюідных прылад для медыцынскай прамысловасці.
01 Вытворчасць і рамонт фотамаскі ў паўправадніковай прамысловасці
Звышхуткія лазеры выкарыстоўваліся ў адным з самых ранніх прамысловых прымянення ў апрацоўцы матэрыялаў. Кампанія IBM паведаміла аб прымяненні фемтасекунднай лазернай абляцыі ў вытворчасці фотамаскаў у 1990-я гады. У параўнанні з нанасекунднай лазернай абляцыяй, якая можа выклікаць металічныя пырскі і пашкоджанні шкла, фемтасекундныя лазерныя маскі не выяўляюць пырскаў металу, пашкоджання шкла і г. д. Перавагі. Гэты метад выкарыстоўваецца для вытворчасці інтэгральных схем (ІС). Вытворчасць мікрасхемы можа запатрабаваць да 30 масак і каштаваць >100 000 долараў. Фемтасекундная лазерная апрацоўка можа апрацоўваць лініі і кропкі ніжэй за 150 нм.
Малюнак 1. Выраб і рамонт фоташаблона
Малюнак 2. Вынікі аптымізацыі розных узораў масак для літаграфіі з экстрэмальным ультрафіялетам
02 Рэзка крэмнія ў паўправадніковай прамысловасці
Нарэзка крэмніевых пласцін з'яўляецца стандартным вытворчым працэсам у паўправадніковай прамысловасці і звычайна выконваецца з дапамогай механічнай нарэзкі. Гэтыя рэжучыя колы часта ўтвараюць мікротрэшчыны, і іх цяжка разрэзаць на тонкія (напрыклад, таўшчынёй < 150 мкм) пласціны. Лазерная рэзка крэмніевых пласцін выкарыстоўваецца ў паўправадніковай прамысловасці на працягу многіх гадоў, асабліва для тонкіх пласцін (100-200 мкм), і выконваецца ў некалькі этапаў: лазерная нарэзка з наступным механічным аддзяленнем або схаваная рэзка (г.зн. інфрачырвоны лазерны прамень унутры скрайбінг крэмнія) з наступным механічным аддзяленнем стужкі. Нанасекундны імпульсны лазер можа апрацоўваць 15 пласцін у гадзіну, а пікасекундны лазер можа апрацоўваць 23 пласціны ў гадзіну з больш высокай якасцю.
03 Рэзка шкла / скрайбаванне ў прамысловасці расходнай электронікі
Сэнсарныя экраны і ахоўныя акуляры для мабільных тэлефонаў і ноўтбукаў становяцца ўсё танчэй, а некаторыя геаметрычныя фігуры выгнутыя. Гэта ўскладняе традыцыйную механічную рэзку. Звычайныя лазеры звычайна вырабляюць дрэнную якасць рэзкі, асабліва калі гэтыя шкляныя дысплеі складаюцца ў 3-4 пласта, а верхняе ахоўнае шкло таўшчынёй 700 мкм загартавана, што можа разбіцца пры лакальным напружанні. Было паказана, што звышхуткія лазеры могуць рэзаць гэтыя шкла з лепшай трываласцю краю. Для рэзкі вялікіх плоскіх панэляў фемтасекундны лазер можа быць сфакусіраваны на задняй паверхні шклянога ліста, драпаючы ўнутраную частку шкла, не пашкоджваючы пярэднюю паверхню. Затым шкло можна разбіць з дапамогай механічных або тэрмічных сродкаў уздоўж нанесенага малюнка.
Малюнак 3. Пікасекундная звышхуткая лазерная рэзка шкла спецыяльнай формы
04 Тэкстуры поршня ў аўтамабільнай прамысловасці
Лёгкія аўтамабільныя рухавікі вырабляюць з алюмініевых сплаваў, якія не так зносаўстойлівыя, як чыгун. Даследаванні паказалі, што фемтасекундная лазерная апрацоўка тэкстур поршня аўтамабіля можа паменшыць трэнне да 25%, таму што смецце і алей можна эфектыўна захоўваць.
Малюнак 4. Фемтасекундная лазерная апрацоўка поршняў аўтамабільных рухавікоў для паляпшэння характарыстык рухавіка
05 Вытворчасць каранарных стэнтаў у медыцынскай прамысловасці
Мільёны каранарных стэнтаў імплантуюць у каранарныя артэрыі цела, каб адкрыць канал для паступлення крыві ў сасуды, якія ў адваротным выпадку згортваюцца, штогод ратуючы мільёны жыццяў. Каранарныя стэнты звычайна вырабляюцца з металічнай (напрыклад, нержавеючай сталі, нікель-тытанавага сплаву з памяццю формы або ў апошні час з кобальта-хромавага сплаву) драцяной сеткі з шырынёй распоркі прыкладна 100 мкм. У параўнанні з доўгаімпульснай лазернай рэзкай, перавагі выкарыстання звышхуткіх лазераў для выразання брекетов - высокая якасць рэзкі, лепшая аздабленне паверхні і менш смецця, што зніжае выдаткі на наступную апрацоўку.
06 Вытворчасць мікрафлюідных прылад для медыцынскай прамысловасці
Мікрафлюідныя прылады звычайна выкарыстоўваюцца ў медыцынскай прамысловасці для тэставання і дыягностыкі захворванняў. Звычайна яны вырабляюцца метадам мікраліцця пад ціскам асобных частак і наступнага злучэння з дапамогай склейвання або зваркі. Звышхуткая лазерная вытворчасць мікрафлюідных прылад мае перавагу ў стварэнні 3D-мікраканалаў у празрыстых матэрыялах, такіх як шкло, без неабходнасці злучэнняў. Адным з метадаў з'яўляецца звышхуткае лазернае выраб у аб'ёмным шкле з наступным вільготным хімічным тручэннем, а іншым з'яўляецца фемтасекундная лазерная абляцыя ўнутры шкла або пластыка ў дыстыляванай вадзе для выдалення смецця. Іншы падыход заключаецца ў апрацоўцы каналаў у шкляную паверхню і герметызацыі іх шкляной вечкам з дапамогай фемтасекунднай лазернай зваркі.
Малюнак 6. Селектыўнае тручэнне фемтасекундным лазерам для падрыхтоўкі мікрафлюідных каналаў у шкляных матэрыялах
07 Мікрасвідраванне сопла фарсункі
Фемтасекундная лазерная апрацоўка мікраадтулінак замяніла мікра-ЭДМ у многіх кампаніях на рынку інжэктараў высокага ціску дзякуючы большай гнуткасці ў змене профіляў праточных адтулін і меншаму часу апрацоўкі. Магчымасць аўтаматычна кантраляваць становішча факусоўкі і нахіл прамяня з дапамогай прэцэсіруючай галоўкі сканавання прывяла да распрацоўкі профіляў апертуры (напрыклад, ствол, факел, канвергенцыя, дывергенцыя), якія могуць спрыяць распыленню або пранікненню ў камеру згарання. Час свідравання залежыць ад аб'ёму абляцыі з таўшчынёй свідравання 0,2 - 0,5 мм і дыяметрам адтуліны 0,12 - 0,25 мм, што робіць гэтую тэхніку ў дзесяць разоў хутчэйшай, чым мікра-ЭДМ. Микросверление выконваецца ў тры этапы, уключаючы чарнавую апрацоўку і чыставую ачыстку скразных пілотных адтулін. Аргон выкарыстоўваецца ў якасці дапаможнага газу для абароны свідравіны ад акіслення і для абароны канчатковай плазмы на пачатковых этапах.
Малюнак 7. Высокадакладная апрацоўка фемтасекундным лазерам перавернутай канічнай адтуліны для інжэктара дызельнага рухавіка
08 Звышхуткае лазернае тэкстураванне
У апошнія гады ў мэтах павышэння дакладнасці апрацоўкі, зніжэння матэрыяльнага ўрону і павышэння эфектыўнасці апрацоўкі вобласць мікраапрацоўкі паступова стала ў цэнтры ўвагі даследчыкаў. Звышхуткі лазер мае розныя перавагі апрацоўкі, такія як нізкі ўзровень пашкоджанняў і высокая дакладнасць, што стала цэнтрам садзейнічання развіццю тэхналогіі апрацоўкі. У той жа час звышхуткія лазеры могуць уздзейнічаць на розныя матэрыялы, і лазерная апрацоўка матэрыяльных пашкоджанняў таксама з'яўляецца адным з асноўных напрамкаў даследаванняў. Звышхуткі лазер выкарыстоўваецца для абляцыі матэрыялаў. Калі шчыльнасць энергіі лазера вышэйшая за парог абляцыі матэрыялу, паверхня абляцыйнага матэрыялу будзе дэманстраваць мікрананаструктуру з пэўнымі характарыстыкамі. Даследаванні паказваюць, што гэтая спецыяльная структура паверхні - звычайная з'ява, якая ўзнікае пры лазернай апрацоўцы матэрыялаў. Падрыхтоўка паверхневых мікрананаструктур можа палепшыць уласцівасці самога матэрыялу, а таксама дазволіць распрацоўку новых матэрыялаў. Гэта робіць падрыхтоўку паверхневых мікра-нанаструктур з дапамогай звышхуткага лазера тэхнічным метадам, які мае важнае значэнне для развіцця. У цяперашні час для металічных матэрыялаў даследаванне звышхуткаснага лазернага тэкстуравання паверхні можа палепшыць змочвальныя ўласцівасці паверхні металу, палепшыць трэнне паверхні і ўласцівасці зносу, палепшыць адгезію пакрыцця, а таксама накіраваную праліферацыю і адгезію клетак.
Малюнак 8. Супергідрафобныя ўласцівасці крэмніевай паверхні, падрыхтаванай лазерам
Як перадавая тэхналогія апрацоўкі, звышхуткая лазерная апрацоўка мае характарыстыкі невялікай зоны цеплавога ўздзеяння, нелінейнага працэсу ўзаемадзеяння з матэрыяламі і апрацоўкі з высокім разрозненнем за межамі дыфракцыі. Ён можа рэалізаваць якасную і высокадакладную мікра-нанаапрацоўку розных матэрыялаў. і выраб трохмерных мікрананаструктур. Дасягненне лазернай вытворчасці спецыяльных матэрыялаў, складаных структур і спецыяльных прылад адкрывае новыя магчымасці для вытворчасці мікра-нана. У цяперашні час фемтасекундны лазер шырока выкарыстоўваецца ў многіх перадавых галінах навукі: фемтасекундны лазер можа быць выкарыстаны для падрыхтоўкі розных аптычных прылад, такіх як масівы мікралінзаў, біянічныя складаныя вочы, аптычныя хваляводы і метапаверхні; выкарыстоўваючы высокую дакладнасць, высокае раздзяленне і магчымасці трохмернай апрацоўкі, фемтасекундны лазер можа падрыхтаваць або інтэграваць мікрафлюідныя і оптафлюідныя чыпы, такія як кампаненты мікранагравальніка і трохмерныя мікрафлюідныя каналы; акрамя таго, фемтасекундны лазер можа таксама падрыхтаваць розныя тыпы паверхневых мікрананаструктур для дасягнення антыблікаў, антыблікаў, супергідрафобных, антыабледзянельных і іншых функцый; не толькі гэта, фемтасекундны лазер таксама быў ужыты ў галіне біямедыцыны, паказаўшы выдатную прадукцыйнасць у такіх галінах, як біялагічныя мікра-стэнты, субстраты для культур клетак і біялагічная мікраскапічная візуалізацыя. Шырокія перспектывы прымянення. У цяперашні час вобласці прымянення фемтасекунднай лазернай апрацоўкі з кожным годам пашыраюцца. У дадатак да вышэйзгаданай мікраоптыкі, мікрафлюідыкі, шматфункцыянальных мікрананаструктур і прымянення біямедыцынскай інжынерыі, ён таксама адыгрывае велізарную ролю ў некаторых новых галінах, такіх як падрыхтоўка метапаверхняў. , вытворчасць мікра-нана і шматмернага аптычнага захоўвання інфармацыі і г.д.
Час публікацыі: 17 красавіка 2024 г
