Alhoewel ultrasnelle lasers al dekades lank bestaan, het industriële toepassings die afgelope twee dekades vinnig gegroei. In 2019 het die markwaarde van ultrasnellelasermateriaalverwerking was ongeveer VS$460 miljoen, met 'n saamgestelde jaarlikse groeikoers van 13%. Toepassingsgebiede waar ultrasnelle lasers suksesvol gebruik is om industriële materiale te verwerk, sluit in fotomaskervervaardiging en -herstel in die halfgeleierbedryf, sowel as silikonblokkiesmaak, glassny/-gravering en (indiumtinoksied) ITO-filmverwydering in verbruikerselektronika soos selfone en tablette, suiertekstuur vir die motorbedryf, koronêre stentvervaardiging en mikrofluidiese toestelvervaardiging vir die mediese bedryf.
01 Fotomaskervervaardiging en -herstel in die halfgeleierbedryf
Ultrasnelle lasers is in een van die vroegste industriële toepassings in materiaalverwerking gebruik. IBM het die toepassing van femtosekonde-laserablasie in fotomaskerproduksie in die 1990's gerapporteer. In vergelyking met nanosekonde-laserablasie, wat metaalspatsels en glasskade kan veroorsaak, toon femtosekonde-lasermaskers geen metaalspatsels, geen glasskade, ens. Die voordele. Hierdie metode word gebruik om geïntegreerde stroombane (IC's) te vervaardig. Die vervaardiging van 'n IC-skyfie kan tot 30 maskers benodig en meer as $100 000 kos. Femtosekonde-laserverwerking kan lyne en punte onder 150 nm verwerk.
Figuur 1. Fotomaskervervaardiging en -herstel
Figuur 2. Optimeringsresultate van verskillende maskerpatrone vir ekstreme ultravioletlitografie
02 Silikon sny in die halfgeleierbedryf
Die sny van silikonwafers is 'n standaard vervaardigingsproses in die halfgeleierbedryf en word tipies uitgevoer met behulp van meganiese snywerk. Hierdie snywiele ontwikkel dikwels mikroskeure en is moeilik om dun (bv. dikte < 150 μm) wafers te sny. Lasersny van silikonwafers word al jare lank in die halfgeleierbedryf gebruik, veral vir dun wafers (100-200μm), en word in verskeie stappe uitgevoer: lasergroewe, gevolg deur meganiese skeiding of stealth sny (d.w.s. infrarooi laserstraal binne die silikongravering) gevolg deur meganiese bandskeiding. Die nanosekonde-pulslaser kan 15 wafers per uur verwerk, en die pikosekondelaser kan 23 wafers per uur verwerk, met hoër gehalte.
03 Glas sny/sny in die verbruikbare elektronika-industrie
Aanraakskerms en beskermende brille vir selfone en skootrekenaars word dunner en sommige geometriese vorms is geboë. Dit maak tradisionele meganiese snywerk moeiliker. Tipiese lasers lewer tipies swak snykwaliteit, veral wanneer hierdie glasskerms 3-4 lae gestapel word en die boonste 700 μm dik beskermende glas getemper is, wat met gelokaliseerde spanning kan breek. Ultrasnelle lasers het getoon dat hulle hierdie glase met beter randsterkte kan sny. Vir groot platskermsnywerk kan die femtosekonde-laser op die agterkant van die glasplaat gefokus word, wat die binnekant van die glas krap sonder om die voorkant te beskadig. Die glas kan dan met behulp van meganiese of termiese middele langs die gekerfde patroon gebreek word.
Figuur 3. Pikosekonde ultrasnelle laserglas spesiale vormsny
04 Suierteksture in die motorbedryf
Liggewig motorenjins word van aluminiumlegerings gemaak, wat nie so slytbestand soos gietyster is nie. Studies het bevind dat femtosekonde laserverwerking van motorsuierteksture wrywing met tot 25% kan verminder omdat puin en olie effektief gestoor kan word.
Figuur 4. Femtosekonde laserverwerking van motorenjinsuiers om enjinprestasie te verbeter
05 Koronêre stentvervaardiging in die mediese bedryf
Miljoene koronêre stents word in die liggaam se kransslagare ingeplant om 'n kanaal oop te maak vir bloed om in andersins gestolde vate te vloei, wat miljoene lewens elke jaar red. Koronêre stents word tipies gemaak van metaal (bv. vlekvrye staal, nikkel-titanium-vormgeheue-legering, of meer onlangs kobalt-chroom-legering) draadgaas met 'n stutwydte van ongeveer 100 μm. In vergelyking met langpuls-lasersny, is die voordele van die gebruik van ultrasnelle lasers om hakies te sny hoë snykwaliteit, beter oppervlakafwerking en minder puin, wat naverwerkingskoste verminder.
06 Vervaardiging van mikrofluidiese toestelle vir die mediese industrie
Mikrofluidiese toestelle word algemeen in die mediese industrie gebruik vir siektetoetsing en -diagnose. Hierdie word tipies vervaardig deur mikro-inspuitgietvorming van individuele dele en dan binding met behulp van gom of sweiswerk. Ultrasnelle laservervaardiging van mikrofluidiese toestelle het die voordeel dat dit 3D-mikrokanale binne deursigtige materiale soos glas produseer sonder die behoefte aan verbindings. Een metode is ultrasnelle laservervaardiging binne 'n grootmaatglas gevolg deur nat chemiese etsing, en 'n ander is femtosekonde-laserablasie binne glas of plastiek in gedistilleerde water om puin te verwyder. Nog 'n benadering is om kanale in die glasoppervlak te masjineer en dit met 'n glasbedekking te verseël via femtosekonde-lasersweiswerk.
Figuur 6. Femtosekonde laser-geïnduseerde selektiewe etsing om mikrofluidiese kanale binne glasmateriale voor te berei
07 Mikroboor van inspuitmondstuk
Femtosekonde laser-mikrogatbewerking het mikro-EDM by baie maatskappye in die hoëdruk-inspuitermark vervang as gevolg van groter buigsaamheid in die verandering van vloeigatprofiele en korter bewerkingstye. Die vermoë om die fokusposisie en kanteling van die straal outomaties te beheer deur 'n voorlopende skanderingskop het gelei tot die ontwerp van diafragmaprofiele (bv. loop, flare, konvergensie, divergensie) wat verneveling of penetrasie in die verbrandingskamer kan bevorder. Boortyd hang af van die ablasievolume, met 'n boordikte van 0.2 - 0.5 mm en 'n gatdiameter van 0.12 - 0.25 mm, wat hierdie tegniek tien keer vinniger maak as mikro-EDM. Mikroboorwerk word in drie stadiums uitgevoer, insluitend ruwe en afwerking van deur-pilotgate. Argon word as 'n hulpgas gebruik om die boorgat teen oksidasie te beskerm en die finale plasma tydens die aanvanklike stadiums te beskerm.
Figuur 7. Femtosekonde laser hoë-presisie verwerking van omgekeerde taps gat vir dieselenjin inspuiter
08 Ultrasnelle lasertekstuur
In onlangse jare, ten einde die akkuraatheid van masjinering te verbeter, materiaalskade te verminder en verwerkingsdoeltreffendheid te verhoog, het die veld van mikromasjinering geleidelik 'n fokus van navorsers geword. Ultrasnelle lasers het verskeie verwerkingsvoordele soos lae skade en hoë presisie, wat die fokus geword het om die ontwikkeling van verwerkingstegnologie te bevorder. Terselfdertyd kan ultrasnelle lasers op 'n verskeidenheid materiale inwerk, en laserverwerking van materiaalskade is ook 'n belangrike navorsingsrigting. Ultrasnelle lasers word gebruik om materiale te ablasieer. Wanneer die energiedigtheid van die laser hoër is as die ablasiedrempel van die materiaal, sal die oppervlak van die geablateerde materiaal 'n mikro-nanostruktuur met sekere eienskappe toon. Navorsing toon dat hierdie spesiale oppervlakstruktuur 'n algemene verskynsel is wat voorkom wanneer materiale met laser verwerk word. Die voorbereiding van oppervlak-mikro-nanostrukture kan die eienskappe van die materiaal self verbeter en ook die ontwikkeling van nuwe materiale moontlik maak. Dit maak die voorbereiding van oppervlak-mikro-nanostrukture deur ultrasnelle lasers 'n tegniese metode met belangrike ontwikkelingsbetekenis. Tans, vir metaalmateriale, kan navorsing oor ultrasnelle laseroppervlakteksturering die benattingseienskappe van metaaloppervlakke verbeter, oppervlakwrywing en slytasie-eienskappe verbeter, die adhesie van bedekkings, en die rigtingproliferasie en adhesie van selle verbeter.
Figuur 8. Superhidrofobiese eienskappe van laser-voorbereide silikonoppervlak
As 'n baanbrekende verwerkingstegnologie het ultrasnelle laserverwerking die eienskappe van 'n klein hitte-geaffekteerde sone, nie-lineêre prosesse van interaksie met materiale, en hoë-resolusie verwerking bo die diffraksielimiet. Dit kan hoë-gehalte en hoë-presisie mikro-nano verwerking van verskeie materiale en driedimensionele mikro-nano struktuur vervaardiging bewerkstellig. Die bereiking van laservervaardiging van spesiale materiale, komplekse strukture en spesiale toestelle maak nuwe paaie oop vir mikro-nano vervaardiging. Tans word femtosekonde laser wyd gebruik in baie baanbrekende wetenskaplike velde: femtosekonde laser kan gebruik word om verskeie optiese toestelle voor te berei, soos mikrolens skikkings, bioniese saamgestelde oë, optiese golfgidse en meta-oppervlaktes; deur sy hoë presisie, hoë resolusie en driedimensionele verwerkingsvermoëns te gebruik, kan femtosekonde laser mikrofluidiese en optofluidiese skyfies soos mikroverwarmer komponente en driedimensionele mikrofluidiese kanale voorberei of integreer; Daarbenewens kan femtosekonde-laser ook verskillende tipes oppervlak-mikro-nanostrukture voorberei om anti-refleksie, anti-refleksie, superhidrofobiese, anti-ysvorming en ander funksies te bereik; nie net dit nie, femtosekonde-laser is ook in die veld van biomedisyne toegepas, wat uitstekende prestasie toon in velde soos biologiese mikro-stente, selkultuursubstrate en biologiese mikroskopiese beeldvorming. Breë toepassingsvooruitsigte. Tans brei die toepassingsvelde van femtosekonde-laserverwerking jaar na jaar uit. Benewens die bogenoemde mikro-optika, mikrofluidika, multifunksionele mikro-nanostrukture en biomediese ingenieurstoepassings, speel dit ook 'n groot rol in sommige opkomende velde, soos meta-oppervlakvoorbereiding, mikro-nanovervaardiging en multidimensionele optiese inligtingberging, ens.
Plasingstyd: 17 Apr-2024
