Өте жылдам лазерлер ондаған жылдар бойы қолданылғанымен, соңғы екі онжылдықта өнеркәсіптік қолданулар тез өсті. 2019 жылы ultrafast нарықтық құнылазерлік материалөңдеу шамамен 460 миллион АҚШ долларын құрады, жылдық күрделі өсу қарқыны 13%. Өнеркәсіптік материалдарды өңдеу үшін ультра жылдам лазерлер сәтті қолданылған қолдану салаларына жартылай өткізгіш өнеркәсібінде фотомаска жасау және жөндеу, сондай-ақ кремнийді кесу, шыны кесу/сызу және ұялы телефондар мен планшеттер сияқты тұрмыстық электроникадағы (индий қалайы оксиді) ITO қабықшасын жою кіреді. , автомобиль өнеркәсібі үшін поршеньді текстуралау, коронарлық стент жасау және медицина өнеркәсібі үшін микрофлюидтік құрылғы жасау.
01 Жартылай өткізгіштер өнеркәсібіндегі фотомаскаларды жасау және жөндеу
Өте жылдам лазерлер материалдарды өңдеудегі ең ерте өнеркәсіптік қолданбалардың бірінде қолданылды. IBM 1990 жылдары фотомаска өндірісінде фемтосекундтық лазерлік абляцияны қолдану туралы хабарлады. Металл шашырауы мен әйнек зақымдануын тудыруы мүмкін наносекундтық лазерлік абляциямен салыстырғанда, фемтосекундтық лазерлік маскалар металл шашырамайды, шыны зақымдалмайды және т.б. артықшылықтар. Бұл әдіс интегралдық схемаларды (IC) шығару үшін қолданылады. IC чипін өндіру үшін 30 маска қажет болуы мүмкін және құны >100 000 доллар. Фемтосекундтық лазерлік өңдеу 150 нм-ден төмен сызықтар мен нүктелерді өңдей алады.
Сурет 1. Фотомасканы жасау және жөндеу
Сурет 2. Экстремалды ультракүлгін литография үшін әртүрлі маска үлгілерін оңтайландыру нәтижелері
02 Жартылай өткізгіш өнеркәсібіндегі кремнийді кесу
Кремний пластинасын кесу жартылай өткізгіш өнеркәсібіндегі стандартты өндіріс процесі болып табылады және әдетте механикалық кесу арқылы орындалады. Бұл кесу дөңгелектерінде жиі микрожарықтар пайда болады және жұқа (мысалы, қалыңдығы < 150 мкм) пластиналарды кесу қиын. Кремний пластинкаларын лазерлік кесу көптеген жылдар бойы жартылай өткізгіш өнеркәсібінде, әсіресе жұқа пластиналар үшін (100-200 мкм) қолданылып келеді және бірнеше қадамдармен жүзеге асырылады: лазерлік ойықтар, содан кейін механикалық бөлу немесе жасырын кесу (яғни ішіндегі инфрақызыл лазер сәулесі) кремний сызу) механикалық таспаны бөлу. Наносекундтық импульстік лазер сағатына 15 вафлиді, ал пикосекундтық лазер сағатына 23 вафлиді өңдей алады, сапасы жоғары.
03 Тұтынылатын электроника өнеркәсібіндегі әйнекті кесу/сызу
Ұялы телефондар мен ноутбуктерге арналған сенсорлық экрандар мен қорғаныс көзілдірігі жұқарып, кейбір геометриялық пішіндер қисық болып келеді. Бұл дәстүрлі механикалық кесуді қиындатады. Әдеттегі лазерлер әдетте нашар кесу сапасын шығарады, әсіресе бұл шыны дисплейлер 3-4 қабат қабаттастырылған және жоғарғы 700 мкм қалыңдықтағы қорғаныш әйнегі шыңдалған кезде, ол жергілікті кернеумен сынуы мүмкін. Ультра жылдам лазерлер бұл көзілдірікті жақсырақ жиек күшімен кесуге қабілетті екендігі көрсетілді. Үлкен жалпақ панельді кесу үшін фемтосекундтық лазерді алдыңғы бетке зақым келтірместен әйнектің ішкі жағын сызып, шыны парақтың артқы бетіне бағыттауға болады. Содан кейін сызылған үлгі бойынша механикалық немесе термиялық құралдарды пайдаланып әйнекті сындыруға болады.
Сурет 3. Пикосекундтық өте жылдам лазерлік шыны арнайы пішінді кесу
04 Автомобиль өнеркәсібіндегі поршеньді текстуралар
Жеңіл автомобиль қозғалтқыштары алюминий қорытпаларынан жасалған, олар шойын сияқты тозуға төзімді емес. Зерттеулер көрсеткендей, автокөлік поршеньдерінің құрылымын фемтосекундтық лазермен өңдеу үйкелісті 25%-ға дейін төмендетеді, өйткені қоқыс пен майды тиімді сақтауға болады.
Сурет 4. Қозғалтқыштың жұмысын жақсарту үшін автомобиль қозғалтқышының поршеньдерін фемтосекундтық лазерлік өңдеу
05 Медициналық өнеркәсіпте коронарлық стент жасау
Қанның басқа жолмен ұйыған тамырларға ағуы үшін арнаны ашу үшін дененің коронарлық артерияларына миллиондаған коронарлық стенттер орнатылып, жыл сайын миллиондаған адамдардың өмірін сақтап қалады. Коронарлық стенттер әдетте ені шамамен 100 мкм болатын металдан (мысалы, тот баспайтын болат, никель-титан пішінді есте сақтау қорытпасы немесе жақында кобальт-хром қорытпасы) сым тордан жасалады. Ұзақ импульстік лазермен кесумен салыстырғанда, жақшаларды кесу үшін ультра жылдам лазерлерді пайдаланудың артықшылықтары - жоғары кесу сапасы, жақсы бетті өңдеу және өңдеуден кейінгі шығындарды азайтатын қоқыстардың аз болуы.
06 Медицина өнеркәсібі үшін микрофлюидтік құрылғыларды өндіру
Микрофлюидтік құрылғылар әдетте медицинада ауруды тексеру және диагностикалау үшін қолданылады. Олар әдетте жекелеген бөлшектерді микро-инъекциялық қалыптау, содан кейін желімдеу немесе дәнекерлеу арқылы байланыстыру арқылы жасалады. Микрофлюидтік құрылғылардың ультра жылдам лазерлік өндірісі қосылымдарды қажет етпей, шыны сияқты мөлдір материалдардың ішінде 3D микроарналарын жасаудың артықшылығына ие. Бір әдіс - сусымалы әйнек ішінде ультра жылдам лазерді жасау, содан кейін дымқыл химиялық өңдеу, ал екіншісі қоқыстарды кетіру үшін тазартылған судағы шыны немесе пластик ішіндегі фемтосекундтық лазерлік абляция. Тағы бір тәсіл - әйнек бетіне арналарды өңдеу және оларды фемтосекундтық лазерлік дәнекерлеу арқылы шыны қақпақпен жабу.
Сурет 6. Шыны материалдардың ішіндегі микрофлюидтік арналарды дайындау үшін фемтосекундтық лазермен индукцияланған селективті ою.
07 Инжектор шүмегінің микробұрғылауы
Фемтосекундтық лазерлік микротесік өңдеу ағын саңылауларының профильдерін өзгертудегі үлкен икемділікке және өңдеу уақытының қысқаруына байланысты жоғары қысымды инжекторлар нарығындағы көптеген компанияларда микро-EDM-ді ауыстырды. Алдын ала сканерлеу басы арқылы сәуленің фокусының орналасуын және қисаюын автоматты түрде басқару мүмкіндігі жану камерасында атомизацияға немесе енуге ықпал ететін апертура профильдерін (мысалы, бөшке, алау, конвергенция, дивергенция) жобалауға әкелді. Бұрғылау уақыты абляция көлеміне байланысты, бұрғы қалыңдығы 0,2 – 0,5 мм және саңылау диаметрі 0,12 – 0,25 мм, бұл әдісті микроЭДМ-ге қарағанда он есе жылдамырақ етеді. Микробұрғылау үш кезеңде орындалады, оның ішінде ұшқыш саңылауларды өрескел өңдеу және өңдеу. Аргон ұңғыманы тотығудан қорғау және бастапқы кезеңдерде соңғы плазманы қорғау үшін көмекші газ ретінде пайдаланылады.
Сурет 7. Дизельдік қозғалтқыш инжекторының төңкерілген конустық тесігінің жоғары дәлдіктегі фемтосекундтық лазерлік өңдеуі
08 Ультра жылдам лазерлік текстура
Соңғы жылдары өңдеу дәлдігін жақсарту, материалдық зақымдануды азайту және өңдеу тиімділігін арттыру мақсатында микро өңдеу саласы бірте-бірте зерттеушілердің назарына айналды. Ультра жылдам лазердің әртүрлі өңдеу артықшылықтары бар, мысалы, төмен зақымдану және жоғары дәлдік, бұл өңдеу технологиясын дамытуға ықпал етудің басты бағыты болды. Сонымен қатар, ультра жылдам лазерлер әртүрлі материалдарға әсер ете алады, ал материалдық зақымдануды лазермен өңдеу де негізгі зерттеу бағыты болып табылады. Материалдарды кесу үшін өте жылдам лазер қолданылады. Лазердің энергия тығыздығы материалдың абляция шегінен жоғары болған кезде, абляцияланған материалдың беті белгілі бір сипаттамалары бар микро-нано құрылымды көрсетеді. Зерттеулер көрсеткендей, бұл ерекше бет құрылымы - бұл материалдарды лазермен өңдеу кезінде пайда болатын жалпы құбылыс. Беткі микро-нано құрылымдарды дайындау материалдың қасиеттерін жақсарта алады, сонымен қатар жаңа материалдарды әзірлеуге мүмкіндік береді. Бұл ультра жылдам лазермен беткі микро-нано құрылымдарды дайындауды маңызды даму мәні бар техникалық әдіске айналдырады. Қазіргі уақытта металл материалдар үшін ультра жылдам лазерлік беттік текстураны зерттеу металл бетінің ылғалдану қасиеттерін жақсартуға, беттік үйкеліс пен тозу қасиеттерін жақсартуға, жабынның адгезиясын және жасушалардың бағытталған пролиферациясын және адгезиясын жақсартуға мүмкіндік береді.
Сурет 8. Лазермен дайындалған кремний бетінің супергидрофобты қасиеттері
Өңдеудің озық технологиясы ретінде ультра жылдам лазерлік өңдеу шағын жылу әсер ететін аймақтың, материалдармен әрекеттесудің сызықты емес процесінің және дифракция шегінен жоғары ажыратымдылықтағы өңдеудің сипаттамаларына ие. Ол әртүрлі материалдарды жоғары сапалы және жоғары дәлдікпен микро-нано өңдеуді жүзеге асыра алады. және үш өлшемді микро-нано құрылымды жасау. Арнайы материалдардың, күрделі құрылымдардың және арнайы құрылғылардың лазерлік өндірісіне қол жеткізу микро-нано өндірісіне жаңа жолдарды ашады. Қазіргі уақытта фемтосекундтық лазер көптеген алдыңғы қатарлы ғылыми салаларда кеңінен қолданылады: фемтосекундтық лазер әртүрлі оптикалық құрылғыларды дайындау үшін пайдаланылуы мүмкін, мысалы, микролинзалар массивтері, бионикалық қосылыс көздер, оптикалық толқын өткізгіштер және метабеттер; жоғары дәлдікті, жоғары ажыратымдылықты және үш өлшемді өңдеу мүмкіндіктерін пайдалана отырып, фемтосекундтық лазер микроқыздырғыш компоненттері және үш өлшемді микрофлюидтік арналар сияқты микрофлюидтік және оптикалық сұйық микросхемаларды дайындай алады немесе біріктіре алады; бұдан басқа, фемтосекунд лазері шағылысуға қарсы, шағылысуға қарсы, супергидрофобты, көктайғаққа қарсы және басқа да функцияларға қол жеткізу үшін беткі микро-наноқұрылымдардың әртүрлі түрлерін дайындай алады; Бұл ғана емес, фемтосекундтық лазер биомедицина саласында да қолданылып, биологиялық микро-стенттер, жасуша культурасының субстраттары және биологиялық микроскопиялық бейнелеу сияқты салаларда тамаша өнімділік көрсетті. Кең қолдану перспективалары. Қазіргі уақытта фемтосекундтық лазерлік өңдеудің қолдану өрістері жылдан жылға кеңейіп келеді. Жоғарыда аталған микро-оптика, микрофлюидика, көп функционалды микро-наноқұрылымдар және биомедициналық инженерия қолданбаларынан басқа, ол метабеттерді дайындау сияқты кейбір дамып келе жатқан салаларда да үлкен рөл атқарады. , микро-нано өндірісі және көп өлшемді оптикалық ақпаратты сақтау және т.б.
Жіберу уақыты: 17 сәуір 2024 ж
