Tot i que els làsers ultraràpids existeixen des de fa dècades, les aplicacions industrials han crescut ràpidament en les dues últimes dècades. El 2019, el valor de mercat dels làsers ultraràpidsmaterial 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 s'han utilitzat amb èxit els làsers ultraràpids per processar materials industrials inclouen la fabricació i reparació de fotomàscares a la indústria dels semiconductors, així com el tall de silici, el tall/estampat de vidre i l'eliminació de pel·lícules d'ITO (òxid d'indi i estany) en electrònica de consum com ara telèfons mòbils i tauletes, texturització de pistons per a la indústria de l'automoció, fabricació de stents coronaris i fabricació de dispositius microfluídics per a la indústria mèdica.
01 Fabricació i reparació de fotomàscares a la indústria dels semiconductors
Els làsers ultraràpids 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 a la dècada de 1990. En comparació amb l'ablació làser de nanosegons, que pot produir esquitxades de metall i danys al vidre, les màscares làser de femtosegons no mostren esquitxades de metall, 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 de femtosegons pot processar línies i punts per sota dels 150 nm.
Figura 1. Fabricació i reparació de fotomàscares
Figura 2. Resultats d'optimització de diferents patrons de màscara per a litografia ultraviolada extrema
02 Tall de silici a la indústria dels semiconductors
El tall per làser d'oblies de silici és un procés de fabricació estàndard a la indústria dels semiconductors i es realitza normalment mitjançant tall mecànic. Aquestes rodes de tall sovint desenvolupen microesquerdes i són difícils de tallar en oblies primes (per exemple, gruix < 150 μm). El tall per làser d'oblies de silici s'ha utilitzat a la indústria dels semiconductors durant molts anys, especialment per a oblies primes (100-200 μm), i es duu a terme en diversos passos: ranurat làser, seguit de separació mecànica o tall invisible (és a dir, feix làser infraroig dins del gravat de silici) seguit de separació mecànica de cinta. El làser de polsos de nanosegons pot processar 15 oblies per hora, i el làser de picosegons pot processar 23 oblies per hora, amb una qualitat més alta.
03 Tall/traçat de vidre a la indústria de l'electrònica de consum
Les pantalles tàctils i les ulleres protectores per a telèfons mòbils i ordinadors portàtils són cada cop més primes i algunes formes geomètriques són corbes. Això dificulta el tall mecànic tradicional. Els làsers típics solen produir una mala qualitat de tall, sobretot quan aquestes pantalles de vidre s'apilen en 3-4 capes i el vidre protector superior de 700 μm de gruix és temperat, que es pot trencar amb estrès localitzat. S'ha demostrat que els làsers ultraràpids són capaços de tallar aquests vidres amb una millor resistència a les vores. Per al tall de panells plans grans, el làser de femtosegons es pot enfocar a la superfície posterior de la làmina de vidre, ratllant l'interior del vidre sense danyar la superfície frontal. El vidre es pot trencar mitjançant mitjans mecànics o tèrmics al llarg del patró ratllat.
Figura 3. Tall de vidre amb làser ultraràpid de picosegons amb forma especial
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. Diversos estudis han descobert que el processament làser de femtosegons de les textures dels pistons dels cotxes pot reduir la fricció fins a un 25% perquè les restes i l'oli es poden emmagatzemar de manera eficaç.
Figura 4. Processament làser de femtosegons de pistons de motors d'automòbils per millorar el rendiment del motor
05 Fabricació de stents coronaris a la indústria mèdica
Milions de stents coronaris s'implanten a les artèries coronàries del cos per obrir un canal perquè la sang flueixi cap a vasos que d'altra banda estarien coagulats, cosa que salva milions de vides cada any. Els stents coronaris solen estar fets de malla metàl·lica (per exemple, acer inoxidable, aliatge de níquel-titani amb memòria de forma o, més recentment, aliatge de cobalt-crom) amb una amplada de puntal d'aproximadament 100 μm. En comparació amb el tall làser de pols llarg, els avantatges d'utilitzar làsers ultraràpids per tallar brackets són una alta qualitat de tall, un millor acabat superficial i menys deixalles, cosa que redueix els costos de postprocessament.
06 Fabricació de dispositius microfluídics per a la indústria mèdica
Els dispositius microfluídics s'utilitzen habitualment en la indústria mèdica per a proves i diagnòstics de malalties. Normalment es fabriquen mitjançant emmotllament per microinjecció de peces individuals i després unint-les 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 seguit 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 les restes. Un altre enfocament és mecanitzar canals a la superfície del vidre i segellar-los amb una coberta de vidre mitjançant soldadura làser de femtosegons.
Figura 6. Gravat selectiu induït per làser de femtosegons per preparar canals microfluídics dins de materials de vidre
07 Microperforació de la boquilla de l'injector
El mecanitzat de microforats amb làser de femtosegons ha substituït la micro-electroerosió en moltes empreses del mercat dels injectors d'alta pressió a causa d'una major flexibilitat en el canvi dels perfils dels forats de flux i temps de mecanitzat més curts. La capacitat de controlar automàticament la posició del focus i la inclinació del feix mitjançant un capçal d'escaneig de precessament ha portat al disseny de perfils d'obertura (per exemple, de barril, 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 la perforació de 0,2 a 0,5 mm i un diàmetre del forat de 0,12 a 0,25 mm, cosa que fa que aquesta tècnica sigui deu vegades més ràpida que la micro-electroerosió. La microperforació es realitza en tres etapes, incloent el desbast i l'acabat dels forats pilot 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 d'alta precisió amb làser de femtosegons d'un forat cònic invertit per a un injector de motor dièsel
08 Texturització làser ultraràpida
En els darrers anys, per tal de millorar la precisió del mecanitzat, reduir els danys al material i augmentar l'eficiència del processament, el camp del micromecanitzat s'ha convertit gradualment en un focus d'atenció dels investigadors. El làser ultraràpid té diversos avantatges de processament, com ara un baix dany i una alta precisió, cosa que s'ha convertit en el focus de la promoció del desenvolupament de la tecnologia de processament. Al mateix temps, els làsers ultraràpids poden actuar sobre una varietat de materials, i el dany al material del processament làser també és una important direcció de recerca. El làser ultraràpid s'utilitza per ablacionar materials. Quan la densitat d'energia del làser és superior al llindar d'ablació del material, la superfície del material ablacionat mostrarà una micro-nanoestructura amb certes característiques. La investigació demostra que aquesta estructura superficial especial és un fenomen comú que es produeix quan es processen materials amb làser. La preparació d'estructures micro-nano superficials pot millorar les propietats del material en si i també permetre el desenvolupament de nous materials. Això fa que la preparació d'estructures micro-nano superficials mitjançant làser ultraràpid sigui un mètode tècnic amb una importància important per al desenvolupament. Actualment, per a materials metàl·lics, la investigació sobre la texturització superficial amb 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 i adhesió direccional de les cèl·lules.
Figura 8. Propietats superhidròfobes 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 els materials i un processament d'alta resolució més enllà del límit de difracció. Pot aconseguir un processament micro-nano d'alta qualitat i alta precisió de diversos materials i la 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 de femtosegon s'ha utilitzat àmpliament en molts camps científics d'avantguarda: el làser de 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 amb capacitats de processament tridimensional, el làser de femtosegon pot preparar o integrar xips microfluídics i optofluídics com ara components de microescalfadors i canals microfluídics tridimensionals; A més, el làser de femtosegon també pot preparar diferents tipus de micronanoestructures superficials per aconseguir funcions antireflexions, antireflexions, superhidròfobes, antigel i altres; no només això, el làser de femtosegon també s'ha aplicat en el camp de la biomedicina, mostrant un rendiment excepcional en camps com els microstents biològics, els substrats de cultiu cel·lular i les imatges microscòpiques biològiques. Àmplies perspectives d'aplicació. Actualment, els camps d'aplicació del processament amb làser de femtosegon s'estan expandint any rere any. A més de les aplicacions de microòptica, microfluídica, micronanoestructures multifuncionals i enginyeria biomèdica esmentades anteriorment, també juga un paper molt important en alguns camps emergents, com ara la preparació de metasuperfícies, la fabricació de micronano i l'emmagatzematge d'informació òptica multidimensional, etc.
Data de publicació: 17 d'abril de 2024
