Bár az ultragyors lézerek már évtizedek óta léteznek, az ipari alkalmazások gyorsan növekedtek az elmúlt két évtizedben. 2019-ben az ultragyors piaci értékelézeres anyagA feldolgozás körülbelül 460 millió USD-t tett ki, 13%-os összetett éves növekedési rátával. Azok az alkalmazási területek, ahol az ultragyors lézereket sikeresen alkalmazták ipari anyagok feldolgozására, többek között a fotomaszkok gyártása és javítása a félvezetőiparban, valamint a szilícium kockázás, üvegvágás/leírás és (indium-ón-oxid) ITO filmeltávolítás a fogyasztói elektronikában, például mobiltelefonokban és táblagépekben. , dugattyús textúra az autóipar számára, koszorúér-stent gyártás és mikrofluidikus eszközgyártás az orvosi ipar számára.
01 Fotomaszk gyártás és javítás a félvezetőiparban
Az ultragyors lézereket az egyik legkorábbi ipari alkalmazásban használták az anyagfeldolgozásban. Az IBM az 1990-es években beszámolt a femtoszekundumos lézeres abláció alkalmazásáról a fotomaszkok gyártásában. A nanoszekundumos lézeres ablációhoz képest, amely fém fröcskölést és üvegkárosodást okozhat, a femtoszekundumos lézermaszkok nem mutatnak fém fröccsenést, üvegkárosodást stb. Az előnyök. Ezt a módszert integrált áramkörök (IC-k) előállítására használják. Egy IC chip előállításához akár 30 maszkra is szükség lehet, és több mint 100 000 dollárba kerül. A femtoszekundumos lézeres feldolgozás képes feldolgozni a 150 nm alatti vonalakat és pontokat.
1. ábra Fotomaszk gyártása és javítása
2. ábra Különböző maszkminták optimalizálási eredményei extrém ultraibolya litográfiához
02 Szilíciumvágás a félvezetőiparban
A szilícium szelet kockázás a félvezetőipar szabványos gyártási folyamata, és általában mechanikus kockázással végzik. Ezeken a vágókorongokon gyakran keletkeznek mikrorepedések, és nehezen vághatók vékony (pl. vastagság < 150 μm) lapkák. A szilícium lapkák lézeres vágását évek óta használják a félvezetőiparban, különösen vékony lapkákhoz (100-200 μm), és több lépésben hajtják végre: lézeres hornyolás, majd mechanikai elválasztás vagy lopakodó vágás (azaz infravörös lézersugár belül a szilícium felírás), majd mechanikus szalagleválasztás. A nanoszekundumos impulzuslézer óránként 15, a pikoszekundumos lézer 23 szeletet tud feldolgozni óránként, magasabb minőségben.
03 Üvegvágás/leírás a fogyóeszközök elektronikai iparában
A mobiltelefonok és laptopok érintőképernyői és védőszemüvegei egyre vékonyabbak, és egyes geometriai alakzatok ívelnek. Ez megnehezíti a hagyományos mechanikus vágást. A tipikus lézerek jellemzően rossz vágási minőséget produkálnak, különösen akkor, ha ezek az üvegkijelzők 3-4 rétegben vannak egymásra rakva, és a felső 700 μm vastag védőüveg edzett, ami helyi feszültség hatására eltörhet. Kimutatták, hogy az ultragyors lézerek jobb élszilárdsággal tudják vágni ezeket az üvegeket. Nagy lapos paneles vágás esetén a femtoszekundumos lézer az üveglap hátsó felületére fókuszálható, megkarcolva az üveg belsejét anélkül, hogy az elülső felületet károsítaná. Az üveg ezután mechanikus vagy termikus eszközökkel törhető a bemetszett minta mentén.
3. ábra Picoszekundumos ultragyors lézerüveg speciális alakú vágás
04 Dugattyú textúrák az autóiparban
A könnyű autómotorok alumíniumötvözetekből készülnek, amelyek nem olyan kopásállóak, mint az öntöttvas. Tanulmányok kimutatták, hogy az autódugattyú-textúrák femtoszekundumos lézeres feldolgozása akár 25%-kal is csökkentheti a súrlódást, mivel a törmelék és az olaj hatékonyan tárolható.
4. ábra: Femtoszekundumos lézeres feldolgozás az autómotorok dugattyúinak a motor teljesítményének javítására
05 Koszorúér-stent gyártás az orvosi iparban
Millió koszorúér-stentet ültetnek be a szervezet koszorúér-artériáiba, hogy megnyíljanak egy csatorna a vér számára, amely az egyébként alvadt erekbe áramolhat, így évente milliók életét mentik meg. A koszorúér-stenteket jellemzően fémből (pl. rozsdamentes acélból, nikkel-titán formájú memória ötvözetből vagy újabban kobalt-króm ötvözetből) dróthálóból készítik, amelynek szélessége körülbelül 100 μm. A hosszú impulzusú lézervágással összehasonlítva az ultragyors lézerek használatának előnyei a konzolok vágására a kiváló vágási minőség, a jobb felületminőség és a kevesebb törmelék, ami csökkenti az utófeldolgozási költségeket.
06 Mikrofluidikus eszközök gyártása az orvosi ipar számára
A mikrofluidikus eszközöket általánosan használják az orvosi iparban betegségek tesztelésére és diagnosztizálására. Ezeket jellemzően az egyes alkatrészek mikro-fröccsöntésével, majd ragasztással vagy hegesztéssel történő ragasztással állítják elő. A mikrofluidikus eszközök ultragyors lézeres gyártása azzal az előnnyel jár, hogy 3D mikrocsatornákat hoz létre átlátszó anyagokban, például üvegben, csatlakozások nélkül. Az egyik módszer az ultragyors lézeres gyártás ömlesztett üvegben, majd nedves kémiai maratással, a másik pedig a femtoszekundumos lézeres abláció az üvegen vagy műanyagon belül desztillált vízben a törmelék eltávolítására. Egy másik megközelítés, hogy csatornákat gépelnek be az üvegfelületbe, és femtoszekundumos lézerhegesztéssel üvegburkolattal lezárják.
6. ábra Femtoszekundumos lézerrel indukált szelektív maratás mikrofluidikus csatornák előkészítésére üveganyagokon belül
07 Injektor fúvóka mikrofúrása
A femtoszekundumos lézeres mikrolyuk-megmunkálás sok vállalatnál felváltotta a mikro-EDM-et a nagynyomású injektorok piacán az áramlási lyukprofilok nagyobb rugalmasságának és a rövidebb megmunkálási időknek köszönhetően. A fókusz helyzetének és a sugár dőlésszögének egy precessziós pásztázó fejen keresztüli automatikus szabályozásának képessége olyan rekeszprofilok kialakításához vezetett (pl. hordó, fáklya, konvergencia, divergencia), amelyek elősegíthetik a porlasztást vagy a behatolást az égéstérben. A fúrási idő az ablációs térfogattól függ, a fúró vastagsága 0,2-0,5 mm és a furat átmérője 0,12-0,25 mm, így ez a technika tízszer gyorsabb, mint a mikro-EDM. A mikrofúrás három szakaszban történik, beleértve a nagyolást és az átmenő lyukak kidolgozását. Az argont segédgázként használják a fúrólyuk oxidáció elleni védelmére és a végső plazma árnyékolására a kezdeti szakaszokban.
7. ábra: Femtoszekundumos lézeres nagy pontosságú feldolgozás fordított kúpos furat dízelmotor befecskendezőjéhez
08 Ultragyors lézeres textúrázás
Az elmúlt években a megmunkálási pontosság javítása, az anyagi károk csökkentése és a feldolgozási hatékonyság növelése érdekében a mikromegmunkálás területe fokozatosan a kutatók fókuszába került. Az ultragyors lézer különféle feldolgozási előnyökkel rendelkezik, mint például az alacsony károsodás és a nagy pontosság, amely a feldolgozási technológia fejlesztésének előmozdításának középpontjába került. Ugyanakkor az ultragyors lézerek sokféle anyagra hathatnak, és a lézeres feldolgozás anyagkárosodása is kiemelt kutatási irány. Az ultragyors lézert anyagok eltávolítására használják. Ha a lézer energiasűrűsége nagyobb, mint az anyag ablációs küszöbértéke, az ablált anyag felülete bizonyos jellemzőkkel rendelkező mikro-nano szerkezetet mutat. A kutatások azt mutatják, hogy ez a speciális felületi struktúra gyakori jelenség, amely az anyagok lézeres megmunkálásakor fordul elő. A felületi mikro-nano szerkezetek elkészítése javíthatja magának az anyagnak a tulajdonságait, és új anyagok kifejlesztését is lehetővé teszi. Ez a felületi mikro-nano szerkezetek ultragyors lézerrel történő elkészítését fontos fejlesztési jelentőségű technikai módszerré teszi. Jelenleg a fémanyagok esetében az ultragyors lézeres felületi textúrával kapcsolatos kutatások javíthatják a fémfelület nedvesítési tulajdonságait, javíthatják a felületi súrlódási és kopási tulajdonságokat, javíthatják a bevonat adhézióját, valamint a sejtek irányított szaporodását és adhézióját.
8. ábra Lézerrel előállított szilícium felület szuperhidrofób tulajdonságai
Élvonalbeli feldolgozási technológiaként az ultragyors lézeres feldolgozás a kis hőhatású zóna, az anyagokkal való kölcsönhatás nemlineáris folyamata és a diffrakciós határon túli nagy felbontású feldolgozás jellemzői. Különböző anyagok kiváló minőségű és nagy pontosságú mikro-nano feldolgozását tudja megvalósítani. és háromdimenziós mikro-nano szerkezetek gyártása. A speciális anyagok, összetett szerkezetek és speciális eszközök lézeres gyártásának elérése új utakat nyit a mikro-nano gyártás előtt. Jelenleg a femtoszekundumos lézert széles körben alkalmazzák számos élvonalbeli tudományterületen: a femtoszekundumos lézerrel különféle optikai eszközöket lehet készíteni, mint például mikrolencse-tömbök, bionikus összetett szemek, optikai hullámvezetők és metafelületek; nagy pontosságú, nagy felbontású és háromdimenziós feldolgozási képességeivel a femtoszekundumos lézer mikrofluidikus és optofluidikus chipeket, például mikrohevítő alkatrészeket és háromdimenziós mikrofluidikus csatornákat tud készíteni vagy integrálni; ezen túlmenően a femtoszekundumos lézer különböző típusú felületi mikro-nanostruktúrákat is elő tud készíteni a tükröződésmentes, tükröződésmentes, szuperhidrofób, jegesedésgátló és egyéb funkciók eléréséhez; nemcsak a femtoszekundumos lézert alkalmazták a biomedicina területén is, amely kiemelkedő teljesítményt mutat olyan területeken, mint a biológiai mikrostentek, sejtkultúra szubsztrátok és a biológiai mikroszkópos képalkotás. Széles körű alkalmazási kilátások. Jelenleg a femtoszekundumos lézeres feldolgozás alkalmazási területei évről évre bővülnek. A fent említett mikrooptika, mikrofluidika, többfunkciós mikro-nanostruktúrák és orvosbiológiai mérnöki alkalmazások mellett néhány feltörekvő területen, például a metasurface előkészítésében is óriási szerepet játszik. , mikro-nano gyártás és többdimenziós optikai információtárolás stb.
Feladás időpontja: 2024.04.17
