Bagama't ang mga ultrafast laser ay nasa loob ng mga dekada, ang mga pang-industriyang aplikasyon ay mabilis na lumago sa nakalipas na dalawang dekada. Sa 2019, ang market value ng ultrafastmateryal ng laserang pagproseso ay humigit-kumulang US$460 milyon, na may pinagsamang taunang rate ng paglago na 13%. Ang mga lugar ng aplikasyon kung saan matagumpay na nagamit ang mga ultrafast laser upang iproseso ang mga pang-industriya na materyales ay kinabibilangan ng paggawa at pagkumpuni ng photomask sa industriya ng semiconductor gayundin ang pag-dicing ng silicon, paggupit/pag-scribing ng salamin at (indium tin oxide) na pag-alis ng ITO film sa consumer electronics tulad ng mga mobile phone at tablet , texturing ng piston para sa industriya ng automotive, paggawa ng coronary stent at pagmamanupaktura ng microfluidic device para sa industriyang medikal.
01 Paggawa at pagkumpuni ng Photomask sa industriya ng semiconductor
Ang mga ultrafast laser ay ginamit sa isa sa mga pinakaunang pang-industriya na aplikasyon sa pagproseso ng mga materyales. Iniulat ng IBM ang aplikasyon ng femtosecond laser ablation sa paggawa ng photomask noong 1990s. Kung ikukumpara sa nanosecond laser ablation, na maaaring makagawa ng metal spatter at glass damage, ang femtosecond laser mask ay hindi nagpapakita ng metal spatter, walang glass damage, atbp. Ang mga pakinabang. Ang pamamaraang ito ay ginagamit upang makabuo ng mga integrated circuit (ICs). Ang paggawa ng IC chip ay maaaring mangailangan ng hanggang 30 mask at nagkakahalaga ng >$100,000. Ang pagpoproseso ng femtosecond laser ay maaaring magproseso ng mga linya at puntos sa ibaba ng 150nm.
Larawan 1. Paggawa at pagkumpuni ng Photomask
Figure 2. Mga resulta ng pag-optimize ng iba't ibang pattern ng mask para sa matinding ultraviolet lithography
02 Silicon cutting sa industriya ng semiconductor
Ang silicone wafer dicing ay isang karaniwang proseso ng pagmamanupaktura sa industriya ng semiconductor at karaniwang ginagawa gamit ang mechanical dicing. Ang mga cutting wheel na ito ay kadalasang nagkakaroon ng mga microcrack at mahirap putulin ang manipis (hal. kapal < 150 μm) na mga wafer. Ang pagputol ng laser ng mga silicon na wafer ay ginamit sa industriya ng semiconductor sa loob ng maraming taon, lalo na para sa mga manipis na wafer (100-200μm), at isinasagawa sa maraming hakbang: laser grooving, na sinusundan ng mechanical separation o stealth cutting (ibig sabihin, infrared laser beam sa loob. ang silicon scribing) na sinusundan ng mechanical tape separation. Ang nanosecond pulse laser ay maaaring magproseso ng 15 wafer bawat oras, at ang picosecond laser ay maaaring magproseso ng 23 wafer bawat oras, na may mas mataas na kalidad.
03 Pagputol/pagsusulat ng salamin sa industriya ng consumable electronics
Ang mga touch screen at protective glass para sa mga mobile phone at laptop ay nagiging manipis at ilang mga geometric na hugis ay kurbado. Ginagawa nitong mas mahirap ang tradisyonal na mekanikal na pagputol. Karaniwang gumagawa ang mga tipikal na laser ng hindi magandang kalidad ng hiwa, lalo na kapag ang mga glass display na ito ay nakasalansan ng 3-4 na layer at ang pinakamataas na 700 μm na makapal na protective glass ay pinalamig, na maaaring masira sa localized na stress. Ipinakita ng mga ultrafast laser na kayang putulin ang mga basong ito nang may mas mahusay na lakas ng gilid. Para sa malaking flat panel cutting, ang femtosecond laser ay maaaring ituon sa likod na ibabaw ng glass sheet, na kinakamot ang loob ng salamin nang hindi nasisira ang front surface. Ang salamin ay maaaring basagin gamit ang mekanikal o thermal na paraan kasama ang nakapuntos na pattern.
Figure 3. Picosecond ultrafast laser glass na espesyal na hugis na pagputol
04 Mga texture ng piston sa industriya ng automotive
Ang mga magaan na makina ng kotse ay gawa sa mga aluminyo na haluang metal, na hindi kasing-wear-resistant gaya ng cast iron. Natuklasan ng mga pag-aaral na ang pagpoproseso ng femtosecond laser ng mga texture ng piston ng kotse ay maaaring mabawasan ang friction ng hanggang 25% dahil ang mga debris at langis ay mabisang maiimbak.
Figure 4. Femtosecond laser processing ng mga piston ng makina ng sasakyan upang mapabuti ang performance ng engine
05 Paggawa ng coronary stent sa industriyang medikal
Milyun-milyong coronary stent ang itinatanim sa coronary arteries ng katawan upang magbukas ng daluyan ng dugo na dumaloy sa kung hindi man ay namumuong mga sisidlan, na nagliligtas ng milyun-milyong buhay bawat taon. Ang coronary stent ay karaniwang gawa sa metal (hal., hindi kinakalawang na asero, nickel-titanium shape memory alloy, o mas kamakailang cobalt-chromium alloy) wire mesh na may strut width na humigit-kumulang 100 μm. Kung ikukumpara sa long-pulse laser cutting, ang mga bentahe ng paggamit ng ultrafast lasers para mag-cut ng mga bracket ay mataas ang kalidad ng cut, mas magandang surface finish, at mas kaunting debris, na nakakabawas sa mga gastos sa post-processing.
06 Paggawa ng microfluidic device para sa industriyang medikal
Ang mga microfluidic device ay karaniwang ginagamit sa industriya ng medikal para sa pagsusuri at pagsusuri ng sakit. Ang mga ito ay karaniwang ginagawa sa pamamagitan ng micro-injection molding ng mga indibidwal na bahagi at pagkatapos ay pagbubuklod gamit ang gluing o welding. Ang ultrafast laser fabrication ng microfluidic device ay may kalamangan sa paggawa ng 3D microchannels sa loob ng transparent na materyales gaya ng salamin nang hindi nangangailangan ng mga koneksyon. Ang isang paraan ay ultrafast laser fabrication sa loob ng bulk glass na sinusundan ng wet chemical etching, at isa pa ay femtosecond laser ablation sa loob ng salamin o plastic sa distilled water upang alisin ang mga debris. Ang isa pang diskarte ay ang mga channel ng makina sa ibabaw ng salamin at i-seal ang mga ito ng isang takip ng salamin sa pamamagitan ng femtosecond laser welding.
Figure 6. Femtosecond laser-induced selective etching para maghanda ng mga microfluidic channel sa loob ng mga glass material
07 Micro drilling ng injector nozzle
Pinalitan ng Femtosecond laser microhole machining ang micro-EDM sa maraming kumpanya sa high-pressure injector market dahil sa higit na kakayahang umangkop sa pagbabago ng mga profile ng flow hole at mas maiikling oras ng machining. Ang kakayahang awtomatikong kontrolin ang posisyon ng focus at pagtabingi ng beam sa pamamagitan ng isang naunang scan head ay humantong sa disenyo ng mga profile ng aperture (hal., barrel, flare, convergence, divergence) na maaaring magsulong ng atomization o penetration sa combustion chamber. Ang oras ng pagbabarena ay depende sa dami ng ablation, na may kapal ng drill na 0.2 – 0.5 mm at diameter ng butas na 0.12 – 0.25 mm, na ginagawang sampung beses na mas mabilis ang pamamaraang ito kaysa sa micro-EDM. Ang microdrilling ay isinasagawa sa tatlong yugto, kabilang ang roughing at pagtatapos ng through-pilot hole. Ang argon ay ginagamit bilang isang pantulong na gas upang protektahan ang borehole mula sa oksihenasyon at upang protektahan ang huling plasma sa mga unang yugto.
Figure 7. Femtosecond laser high-precision processing ng inverted taper hole para sa diesel engine injector
08 Napakabilis na laser texturing
Sa mga nagdaang taon, upang mapabuti ang katumpakan ng machining, bawasan ang pinsala sa materyal, at dagdagan ang kahusayan sa pagproseso, ang larangan ng micromachining ay unti-unting naging pokus ng mga mananaliksik. Ang ultrafast laser ay may iba't ibang mga pakinabang sa pagproseso tulad ng mababang pinsala at mataas na katumpakan, na naging pokus ng pagtataguyod ng pag-unlad ng teknolohiya sa pagpoproseso. Kasabay nito, ang mga ultrafast laser ay maaaring kumilos sa iba't ibang mga materyales, at ang pinsala sa materyal na pagproseso ng laser ay isa ring pangunahing direksyon sa pananaliksik. Ang ultrafast laser ay ginagamit upang i-ablate ang mga materyales. Kapag ang density ng enerhiya ng laser ay mas mataas kaysa sa ablation threshold ng materyal, ang ibabaw ng ablated na materyal ay magpapakita ng isang micro-nano na istraktura na may ilang mga katangian. Pananaliksik ay nagpapakita na ang espesyal na ibabaw Structure ay isang karaniwang phenomenon na nangyayari kapag laser processing materyales. Ang paghahanda ng mga pang-ibabaw na istruktura ng micro-nano ay maaaring mapabuti ang mga katangian ng materyal mismo at paganahin din ang pagbuo ng mga bagong materyales. Ginagawa nitong isang teknikal na pamamaraan ang paghahanda ng mga pang-ibabaw na istruktura ng micro-nano sa pamamagitan ng ultrafast laser na may mahalagang kahalagahan sa pag-unlad. Sa kasalukuyan, para sa mga metal na materyales, ang pagsasaliksik sa ultrafast laser surface texturing ay maaaring mapabuti ang mga katangian ng pagbabasa ng ibabaw ng metal, mapabuti ang friction sa ibabaw at mga katangian ng pagsusuot, mapahusay ang coating adhesion, at directional proliferation at adhesion ng mga cell.
Figure 8. Superhydrophobic properties ng laser-prepared silicon surface
Bilang isang cutting-edge na teknolohiya sa pagpoproseso, ang ultrafast laser processing ay may mga katangian ng maliit na heat-affected zone, non-linear na proseso ng pakikipag-ugnayan sa mga materyales, at high-resolution na pagproseso na lampas sa limitasyon ng diffraction. Maaari itong mapagtanto ang mataas na kalidad at mataas na katumpakan na pagproseso ng micro-nano ng iba't ibang mga materyales. at three-dimensional na micro-nano structure fabrication. Ang pagkamit ng laser manufacturing ng mga espesyal na materyales, kumplikadong istruktura at mga espesyal na device ay nagbubukas ng mga bagong paraan para sa micro-nano manufacturing. Sa kasalukuyan, ang femtosecond laser ay malawakang ginagamit sa maraming cutting-edge na pang-agham na larangan: ang femtosecond laser ay maaaring gamitin upang maghanda ng iba't ibang optical device, tulad ng microlens arrays, bionic compound eyes, optical waveguides at metasurfaces; gamit ang kanyang mataas na katumpakan, mataas na resolution at May tatlong-dimensional na mga kakayahan sa pagpoproseso, ang femtosecond laser ay maaaring maghanda o magsama ng microfluidic at optofluidic chips tulad ng mga bahagi ng microheater at tatlong-dimensional na microfluidic channel; bilang karagdagan, ang femtosecond laser ay maaari ring maghanda ng iba't ibang uri ng micro-nanostructure sa ibabaw upang makamit ang anti-reflection, anti-reflection, super-hydrophobic, anti-icing at iba pang mga function; hindi lamang iyon, ang femtosecond laser ay inilapat din sa larangan ng biomedicine, na nagpapakita ng natitirang pagganap sa mga larangan tulad ng biological micro-stent, cell culture substrates at biological microscopic imaging. Malawak na mga prospect ng aplikasyon. Sa kasalukuyan, ang mga larangan ng aplikasyon ng femtosecond laser processing ay lumalawak taon-taon. Bilang karagdagan sa mga nabanggit sa itaas na micro-optics, microfluidics, multi-functional micro-nanostructures at biomedical engineering application, ito ay gumaganap din ng malaking papel sa ilang mga umuusbong na larangan, tulad ng paghahanda ng metasurface. , pagmamanupaktura ng micro-nano at multi-dimensional na optical information storage, atbp.
Oras ng post: Abr-17-2024
