Нягледзячы на тое, што звышхуткія лазеры існуюць ужо некалькі дзесяцігоддзяў, іх прамысловае прымяненне хутка вырасла за апошнія два дзесяцігоддзі. У 2019 годзе рынкавы кошт звышхуткіх лазераўлазерны матэрыялАб'ём апрацоўкі склаў прыблізна 460 мільёнаў долараў ЗША, са сукупным гадавым тэмпам росту 13%. Сярод абласцей прымянення, дзе звышхуткія лазеры паспяхова выкарыстоўваюцца для апрацоўкі прамысловых матэрыялаў, — выраб і рамонт фоташаблонаў у паўправадніковай прамысловасці, а таксама нарэзка крэмнію кубікамі, рэзка/гравіроўка шкла і выдаленне плёнкі ITO (аксід індыя-волава) у бытавой электроніцы, такой як мабільныя тэлефоны і планшэты, тэкстураванне поршняў для аўтамабільнай прамысловасці, вытворчасць каранарных стэнтаў і вытворчасць мікрафлюідных прылад для медыцынскай прамысловасці.
01 Вытворчасць і рамонт фоташаблонаў у паўправадніковай прамысловасці
Звышхуткія лазеры выкарыстоўваліся ў адным з самых ранніх прамысловых ужыванняў у апрацоўцы матэрыялаў. IBM паведаміла аб ужыванні фемтасекунднай лазернай абляцыі ў вытворчасці фоташаблонаў у 1990-х гадах. У параўнанні з нанасекунднай лазернай абляцыяй, якая можа прывесці да пырскаў металу і пашкоджання шкла, фемтасекундныя лазерныя маскі не паказваюць пырскаў металу, пашкоджанняў шкла і г.д. Перавагі. Гэты метад выкарыстоўваецца для вытворчасці інтэгральных схем (ІС). Вытворчасць мікрасхемы ІС можа запатрабаваць да 30 масак і каштаваць больш за 100 000 долараў. Фемтасекундная лазерная апрацоўка можа апрацоўваць лініі і кропкі даўжынёй да 150 нм.
Малюнак 1. Выраб і рамонт фоташаблону
Малюнак 2. Вынікі аптымізацыі розных шаблонаў масак для літаграфіі ў экстрэмальным ультрафіялетавым дыяпазоне
02 Рэзка крэмнію ў паўправадніковай прамысловасці
Нарэзка крэмніевых пласцін — гэта стандартны вытворчы працэс у паўправадніковай прамысловасці, які звычайна выконваецца механічным спосабам. Гэтыя рэжучыя колы часта ўтвараюць мікратрэшчыны, і іх цяжка нарэзаць на тонкія (напрыклад, таўшчынёй < 150 мкм) пласціны. Лазерная рэзка крэмніевых пласцін выкарыстоўваецца ў паўправадніковай прамысловасці ўжо шмат гадоў, асабліва для тонкіх пласцін (100-200 мкм), і выконваецца ў некалькі этапаў: лазернае нанясенне канавак, а затым механічнае аддзяленне або схаваная рэзка (г.зн. інфрачырвоны лазерны прамень унутры крэмніевай надрэзкі), а затым механічнае аддзяленне стужкі. Нанасекундны імпульсны лазер можа апрацоўваць 15 пласцін у гадзіну, а пікасекундны лазер — 23 пласціны ў гадзіну з больш высокай якасцю.
03 Рэзка/нанясенне надпісу на шкле ў прамысловасці расходных электронікі
Сэнсарныя экраны і ахоўныя шклы для мабільных тэлефонаў і ноўтбукаў становяцца танчэйшымі, а некаторыя геаметрычныя формы выгнутыя. Гэта ўскладняе традыцыйную механічную рэзку. Звычайныя лазеры звычайна даюць дрэнную якасць рэзкі, асабліва калі гэтыя шкляныя дысплеі складзены ў 3-4 пласты, а верхняе ахоўнае шкло таўшчынёй 700 мкм загартаванае, якое можа разарвацца пры лакалізаваным напружанні. Было паказана, што звышхуткія лазеры здольныя рэзаць гэтыя шклы з лепшай трываласцю краю. Для рэзкі вялікіх плоскіх панэляў фемтасекундны лазер можа быць сфакусаваны на задняй паверхні шклянога ліста, драпаючы ўнутраную частку шкла, не пашкоджваючы пярэднюю паверхню. Затым шкло можна разбіць механічнымі або тэрмічнымі сродкамі ўздоўж надрэзанага малюнка.
Малюнак 3. Пікасекундная звышхуткая лазерная рэзка шкла спецыяльнай формы
04 Тэкстуры поршняў у аўтамабільнай прамысловасці
Лёгкія аўтамабільныя рухавікі вырабляюцца з алюмініевых сплаваў, якія не такія зносаўстойлівыя, як чыгун. Даследаванні паказалі, што фемтасекундная лазерная апрацоўка тэкстур поршняў аўтамабіляў можа знізіць трэнне да 25%, паколькі смецце і алей можна эфектыўна захоўваць.
Малюнак 4. Фемтасекундная лазерная апрацоўка поршняў аўтамабільных рухавікоў для паляпшэння прадукцыйнасці рухавіка
05 Вытворчасць каранарных стэнтаў у медыцынскай прамысловасці
Мільёны каранарных стэнтаў імплантуюцца ў каранарныя артэрыі цела, каб адкрыць канал для патоку крыві ў сасуды, якія інакш былі б закаркаваныя тромбамі, штогод ратуючы мільёны жыццяў. Каранарныя стэнты звычайна вырабляюцца з металічнай (напрыклад, нержавеючай сталі, нікель-тытанавага сплаву з памяццю формы або, у апошні час, кобальт-хромавага сплаву) дроцяной сеткі з шырынёй распорак прыблізна 100 мкм. У параўнанні з доўгаімпульснай лазернай рэзкай, перавагамі выкарыстання звышхуткіх лазераў для рэзкі брекетаў з'яўляюцца высокая якасць рэзкі, лепшая аздабленне паверхні і меншая колькасць смецця, што зніжае выдаткі на пасляапрацоўку.
06 Вытворчасць мікрафлюідных прылад для медыцынскай прамысловасці
Мікрафлюідныя прылады шырока выкарыстоўваюцца ў медыцынскай прамысловасці для тэставання і дыягностыкі захворванняў. Звычайна яны вырабляюцца шляхам мікраліцця пад ціскам асобных дэталяў, а затым злучаюцца з дапамогай склейвання або зваркі. Звышхуткае лазернае вырабленне мікрафлюідных прылад мае перавагу ў стварэнні трохмерных мікраканалаў у празрыстых матэрыялах, такіх як шкло, без неабходнасці злучэнняў. Адзін з метадаў - гэта звышхуткае лазернае вырабленне ўнутры аб'ёмнага шкла з наступным вільготным хімічным травленнем, а другі - фемтасекундная лазерная абляцыя ўнутры шкла або пластыка ў дыстыляванай вадзе для выдалення смецця. Іншы падыход заключаецца ў тым, каб выстраіць каналы ў паверхні шкла і запячатаць іх шкляной вечкам з дапамогай фемтасекунднай лазернай зваркі.
Малюнак 6. Фемтасекунднае лазерна-індукаванае селектыўнае травленне для падрыхтоўкі мікрафлюідных каналаў унутры шкляных матэрыялаў
07 Мікрасвідраванне фарсункі інжэктара
Фемтасекундная лазерная апрацоўка мікраадтулін замяніла мікраэрозійную апрацоўкі ў многіх кампаніях на рынку інжэктараў высокага ціску дзякуючы большай гнуткасці ў змене профіляў адтулін для патоку і скарачэнню часу апрацоўкі. Магчымасць аўтаматычна кантраляваць становішча факусоўкі і нахіл прамяня праз прэцэсійную скануючую галоўку прывяла да распрацоўкі профіляў адтулін (напрыклад, бочка, расшырэнне, канвергенцыя, дывергенцыя), якія могуць спрыяць распыленню або пранікненню ў камеру згарання. Час свідравання залежыць ад аб'ёму абляцыі, прычым таўшчыня свердзела складае 0,2–0,5 мм, а дыяметр адтуліны — 0,12–0,25 мм, што робіць гэтую тэхніку ў дзесяць разоў хутчэйшай за мікраэрозійную апрацоўку. Мікрасвідраванне выконваецца ў тры этапы, уключаючы чарнавую і чыставую апрацоўку 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 адтуліны з перавернутым канічным узорам для інжэктара дызельнага рухавіка.
08 Звышхуткае лазернае тэкстураванне
У апошнія гады, з мэтай павышэння дакладнасці апрацоўкі, змяншэння пашкоджанняў матэрыялаў і павышэння эфектыўнасці апрацоўкі, галіна мікраапрацоўкі паступова стала цэнтрам увагі даследчыкаў. Звышхуткі лазер мае розныя перавагі апрацоўкі, такія як нізкі ўзровень пашкоджанняў і высокая дакладнасць, што стала цэнтрам садзейнічання развіццю тэхналогій апрацоўкі. У той жа час, звышхуткія лазеры могуць уздзейнічаць на розныя матэрыялы, і лазерная апрацоўка пашкоджанняў матэрыялаў таксама з'яўляецца асноўным напрамкам даследаванняў. Звышхуткі лазер выкарыстоўваецца для абляцыі матэрыялаў. Калі шчыльнасць энергіі лазера вышэйшая за парог абляцыі матэрыялу, паверхня аблятаванага матэрыялу будзе мець мікрананаструктуру з пэўнымі характарыстыкамі. Даследаванні паказваюць, што гэтая асаблівая паверхневая структура з'яўляецца распаўсюджанай з'явай, якая ўзнікае пры лазернай апрацоўцы матэрыялаў. Падрыхтоўка паверхневых мікрананаструктур можа палепшыць уласцівасці самога матэрыялу, а таксама дазволіць распрацоўку новых матэрыялаў. Гэта робіць падрыхтоўку паверхневых мікрананаструктур з дапамогай звышхуткага лазера тэхнічным метадам, які мае важнае развіццёвае значэнне. У цяперашні час даследаванні ў галіне звышхуткага лазернага тэкстуравання паверхні металічных матэрыялаў могуць палепшыць змочвальныя ўласцівасці паверхні металу, палепшыць трэнне і зносаўстойлівасць паверхні, палепшыць адгезію пакрыцця, а таксама накіраваную праліферацыю і адгезію клетак.
Малюнак 8. Супергідрафобныя ўласцівасці паверхні крэмнію, 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, якое перавышае дыфракцыйную мяжу. Яна дазваляе рэалізоўваць высакаякасную і высокадакладную мікрананаапрацоўку розных матэрыялаў, а таксама вырабляць трохмерныя мікрананаструктуры. Дасягненне лазернага вырабу спецыяльных матэрыялаў, складаных структур і спецыяльных прылад адкрывае новыя магчымасці для мікрананавытворчасці. У цяперашні час фемтасекундны лазер шырока выкарыстоўваецца ў многіх перадавых навуковых галінах: фемтасекундны лазер можа быць выкарыстаны для падрыхтоўкі розных аптычных прылад, такіх як мікралінзавыя масівы, біянічныя складаныя вочы, аптычныя хваляводы і метапаверхні; выкарыстоўваючы сваю высокую дакладнасць, высокі разрозненне і магчымасці трохмернай апрацоўкі, фемтасекундны лазер можа падрыхтоўваць або інтэграваць мікрафлюідныя і оптафлюідныя чыпы, такія як кампаненты мікранагравальнікаў і трохмерныя мікрафлюідныя каналы; Акрамя таго, фемтасекундны лазер можа таксама падрыхтоўваць розныя тыпы паверхневых мікрананаструктур для дасягнення антыблікавых, антыблікавых, супергідрафобных, антыабледзяняльных і іншых функцый; больш за тое, фемтасекундны лазер таксама ўжываецца ў галіне біямедыцыны, дэманструючы выдатную прадукцыйнасць у такіх галінах, як біялагічныя мікрастэнты, субстраты для клетачных культур і біялагічная мікраскапічная візуалізацыя. Шырокія перспектывы прымянення. У цяперашні час вобласці прымянення фемтасекунднай лазернай апрацоўкі пашыраюцца з кожным годам. Акрамя вышэйзгаданых мікраоптыкі, мікрафлюідыкі, шматфункцыянальных мікрананаструктур і біямедыцынскай інжынерыі, ён таксама адыгрывае вялікую ролю ў некаторых новых галінах, такіх як падрыхтоўка метапаверхняў, вытворчасць мікранана і шматмернае аптычнае захоўванне інфармацыі і г.д.
Час публікацыі: 17 красавіка 2024 г.
