Tot i que els làsers ultra ràpids han existit durant dècades, les aplicacions industrials han crescut ràpidament en les últimes dues dècades. El 2019, el valor de mercat d'ultraràpidmaterial làserel processament va ser d'aproximadament 460 milions de dòlars EUA, amb una taxa de creixement anual composta del 13%. Les àrees d'aplicació on els làsers ultraràpids s'han utilitzat amb èxit per processar materials industrials inclouen la fabricació i reparació de fotomàscares a la indústria dels semiconductors, així com el tall de silici, el tall/escriptura de vidre i l'eliminació de pel·lícules ITO (òxid d'indi estany) en electrònica de consum com ara telèfons mòbils i tauletes. , texturació de pistons per a la indústria de l'automòbil, fabricació de stent coronari i fabricació de dispositius microfluídics per a la indústria mèdica.
01 Fabricació i reparació de fotomàscares a la indústria dels semiconductors
Els làsers ultra ràpids es van utilitzar en una de les primeres aplicacions industrials en el processament de materials. IBM va informar de l'aplicació de l'ablació làser de femtosegons en la producció de fotomàscares als anys noranta. En comparació amb l'ablació làser de nanosegons, que pot produir esquitxades metàl·liques i danys al vidre, les màscares làser de femtosegons no mostren esquitxades metàl·liques, ni danys al vidre, etc. Els avantatges. Aquest mètode s'utilitza per produir circuits integrats (CI). La producció d'un xip IC pot requerir fins a 30 màscares i costar més de 100.000 dòlars. El processament làser femtosegon pot processar línies i punts per sota de 150 nm.
Figura 1. Fabricació i reparació de fotomàscara
Figura 2. Resultats d'optimització de diferents patrons de màscara per a la litografia ultraviolada extrema
02 Tall de silici a la indústria dels semiconductors
El tallat a daus d'hòsties de silici és un procés de fabricació estàndard a la indústria dels semiconductors i normalment es realitza utilitzant daus mecànics. Aquestes rodes de tall sovint desenvolupen microesquerdes i són difícils de tallar hòsties fines (per exemple, gruix < 150 μm). El tall per làser de hòsties de silici s'ha utilitzat a la indústria dels semiconductors des de fa molts anys, especialment per a hòsties primes (100-200μm), i es realitza en múltiples passos: ranurat per làser, seguit de separació mecànica o tall furtiu (és a dir, feix làser infrarojo a l'interior). el traçat de silici) seguit de la separació mecànica de la cinta. El làser de pols de nanosegons pot processar 15 hòsties per hora, i el làser de picosegons pot processar 23 hòsties per hora, amb més qualitat.
03 Tall/traçat de vidre a la indústria de consumibles electrònics
Les pantalles tàctils i les ulleres protectores per a telèfons mòbils i ordinadors portàtils són cada cop més primes i algunes formes geomètriques es corben. Això fa que el tall mecànic tradicional sigui més difícil. Els làsers típics solen produir una mala qualitat de tall, especialment quan aquestes pantalles de vidre s'apilen de 3 a 4 capes i el vidre protector superior de 700 μm de gruix està temperat, que pot trencar-se amb l'estrès localitzat. S'ha demostrat que els làsers ultraràpids poden tallar aquestes ulleres amb una millor resistència a la vora. Per al tall de panells plans grans, el làser de femtosegon es pot enfocar a la superfície posterior de la làmina de vidre, ratllant l'interior del vidre sense danyar la superfície frontal. Aleshores, el vidre es pot trencar mitjançant mitjans mecànics o tèrmics al llarg del patró marcat.
Figura 3. Tall amb forma especial de vidre làser ultraràpid de picosegons
04 Textures de pistons a la indústria de l'automoció
Els motors de cotxes lleugers estan fets d'aliatges d'alumini, que no són tan resistents al desgast com el ferro colat. Els estudis han trobat que el processament làser de femtosegons de les textures dels pistons dels cotxes pot reduir la fricció fins a un 25% perquè els residus i l'oli es poden emmagatzemar de manera eficaç.
Figura 4. Processament làser de femtosegons dels pistons del motor d'automòbil per millorar el rendiment del motor
05 Fabricació de stent coronari a la indústria mèdica
Milions de stents coronàries s'implanten a les artèries coronàries del cos per obrir un canal perquè la sang flueixi cap als vasos que d'altra manera estarien coagulats, salvant milions de vides cada any. Els stents coronaris solen estar fets de malla de filferro metàl·lic (per exemple, acer inoxidable, aliatge de memòria de forma níquel-titani o, més recentment, aliatge cobalt-crom) amb una amplada de puntal d'aproximadament 100 μm. En comparació amb el tall per làser de pols llarg, els avantatges d'utilitzar làsers ultraràpids per tallar suports són una alta qualitat de tall, un millor acabat superficial i menys residus, la qual cosa redueix els costos de postprocessament.
06 Fabricació de dispositius microfluídics per a la indústria mèdica
Els dispositius microfluídics s'utilitzen habitualment a la indústria mèdica per a la prova i el diagnòstic de malalties. Normalment es fabriquen mitjançant modelat per microinjecció de peces individuals i després s'uneixen mitjançant encolat o soldadura. La fabricació làser ultraràpida de dispositius microfluídics té l'avantatge de produir microcanals 3D dins de materials transparents com el vidre sense necessitat de connexions. Un mètode és la fabricació làser ultraràpida dins d'un vidre a granel seguida d'un gravat químic humit, i un altre és l'ablació làser de femtosegons dins de vidre o plàstic en aigua destil·lada per eliminar els residus. Un altre enfocament és mecanitzar canals a la superfície de vidre i segellar-los amb una coberta de vidre mitjançant soldadura làser de femtosegon.
Figura 6. Gravat selectiu induït per làser femtosegon per preparar canals microfluídics dins de materials de vidre
07 Microperforació de broquet d'injecció
El mecanitzat de microforats làser de femtosegon ha substituït la micro-EDM en moltes empreses del mercat d'injectors d'alta pressió a causa d'una major flexibilitat per canviar els perfils dels forats de flux i temps de mecanitzat més curts. La capacitat de controlar automàticament la posició d'enfocament i la inclinació del feix a través d'un capçal d'escaneig precessat ha portat al disseny de perfils d'obertura (per exemple, canó, flare, convergència, divergència) que poden promoure l'atomització o la penetració a la cambra de combustió. El temps de perforació depèn del volum d'ablació, amb un gruix de trepant de 0,2 – 0,5 mm i un diàmetre de forat de 0,12 – 0,25 mm, fent que aquesta tècnica sigui deu vegades més ràpida que la micro-EDM. La microperforació es realitza en tres etapes, que inclouen el desbast i l'acabat dels forats passants. L'argó s'utilitza com a gas auxiliar per protegir el forat de l'oxidació i per protegir el plasma final durant les etapes inicials.
Figura 7. Processament làser de femtosegon d'alta precisió del forat cònic invertit per a injector de motor dièsel
08 Texturació làser ultra ràpida
En els darrers anys, per tal de millorar la precisió del mecanitzat, reduir els danys materials i augmentar l'eficiència del processament, el camp del micromecanitzat s'ha convertit gradualment en un focus dels investigadors. El làser ultraràpid té diversos avantatges de processament, com ara baix dany i alta precisió, que s'ha convertit en el focus de promoció del desenvolupament de la tecnologia de processament. Al mateix temps, els làsers ultraràpids poden actuar sobre una varietat de materials, i el dany del material de processament làser també és una adreça de recerca important. El làser ultraràpid s'utilitza per eliminar materials. Quan la densitat d'energia del làser és superior al llindar d'ablació del material, la superfície del material ablat mostrarà una estructura micro-nano amb determinades característiques. La investigació mostra que aquesta estructura de superfície especial és un fenomen comú que es produeix quan es processen materials amb làser. La preparació de micro-nanoestructures superficials pot millorar les propietats del propi material i també permetre el desenvolupament de nous materials. Això fa que la preparació de micro-nanoestructures superficials mitjançant làser ultraràpid sigui un mètode tècnic amb una importància important per al desenvolupament. Actualment, per als materials metàl·lics, la investigació sobre la textura de la superfície làser ultraràpida pot millorar les propietats d'humectació de la superfície metàl·lica, millorar les propietats de fricció i desgast de la superfície, millorar l'adhesió del recobriment i la proliferació direccional i l'adhesió de les cèl·lules.
Figura 8. Propietats superhidrofòbiques de la superfície de silici preparada amb làser
Com a tecnologia de processament d'avantguarda, el processament làser ultraràpid té les característiques d'una petita zona afectada per la calor, un procés d'interacció no lineal amb materials i un processament d'alta resolució més enllà del límit de difracció. Pot realitzar un processament micro-nano d'alta qualitat i alta precisió de diversos materials. i fabricació d'estructures micro-nano tridimensionals. Aconseguir la fabricació làser de materials especials, estructures complexes i dispositius especials obre noves vies per a la fabricació de micro-nano. Actualment, el làser femtosegon s'ha utilitzat àmpliament en molts camps científics d'avantguarda: el làser femtosegon es pot utilitzar per preparar diversos dispositius òptics, com ara matrius de microlents, ulls compostos biònics, guies d'ones òptiques i metasuperfícies; utilitzant la seva alta precisió, alta resolució i capacitats de processament tridimensional, el làser femtosegon pot preparar o integrar xips microfluídics i optofluídics com ara components de microescalfadors i canals microfluídics tridimensionals; a més, el làser de femtosegons també pot preparar diferents tipus de micro-nanoestructures de superfície per aconseguir funcions antireflexos, antireflexos, superhidrofòbics, antigel i altres; no només això, el làser femtosegon també s'ha aplicat en el camp de la biomedicina, mostrant un rendiment excepcional en camps com els micro-stents biològics, substrats de cultiu cel·lular i imatges microscòpiques biològiques. Àmplies perspectives d'aplicació. Actualment, els camps d'aplicació del processament làser de femtosegons s'estan expandint any rere any. A més de la microòptica, microfluídica, micro-nanoestructures multifuncionals i aplicacions d'enginyeria biomèdica esmentades anteriorment, també té un paper important en alguns camps emergents, com la preparació de metasuperfície. , fabricació micro-nano i emmagatzematge d'informació òptica multidimensional, etc.
Hora de publicació: 17-abril-2024
