Bagama't matagal nang ginagamit ang mga ultrafast laser, mabilis na lumago ang mga aplikasyon sa industriya sa nakalipas na dalawang dekada. Noong 2019, ang halaga sa merkado ng ultrafastmateryal na 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 ginamit ang mga ultrafast laser upang iproseso ang mga materyales na pang-industriya ay kinabibilangan ng paggawa at pagkukumpuni ng photomask sa industriya ng semiconductor pati na rin ang silicon dicing, pagputol/pag-scribe ng salamin at (indium tin oxide) pag-alis ng ITO film sa mga consumer electronics tulad ng mga mobile phone at tablet, piston texturing para sa industriya ng automotive, paggawa ng coronary stent at paggawa ng microfluidic device para sa industriya ng medikal.
01 Paggawa at pagkukumpuni ng photomask sa industriya ng semiconductor
Ang mga ultrafast laser ay ginamit sa isa sa mga pinakamaagang aplikasyon sa industriya sa pagproseso ng mga materyales. Iniulat ng IBM ang aplikasyon ng femtosecond laser ablation sa produksyon ng photomask noong dekada 1990. Kung ikukumpara sa nanosecond laser ablation, na maaaring magdulot ng metal spatter at pinsala sa salamin, ang mga femtosecond laser mask ay walang ipinapakitang metal spatter, walang pinsala sa salamin, atbp. Ang mga bentahe. Ang pamamaraang ito ay ginagamit upang makagawa ng mga integrated circuit (IC). Ang paggawa ng isang IC chip ay maaaring mangailangan ng hanggang 30 mask at nagkakahalaga ng >$100,000. Ang pagproseso ng femtosecond laser ay maaaring magproseso ng mga linya at punto na mas mababa sa 150nm.
Pigura 1. Paggawa at pagkukumpuni ng photomask
Pigura 2. Mga resulta ng pag-optimize ng iba't ibang pattern ng maskara para sa matinding ultraviolet lithography
02 Pagputol ng silicon sa industriya ng semiconductor
Ang silicon wafer dicing ay isang karaniwang proseso ng pagmamanupaktura sa industriya ng semiconductor at karaniwang isinasagawa 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 laser cutting ng mga silicon wafer ay ginagamit na sa industriya ng semiconductor sa loob ng maraming taon, lalo na para sa manipis na mga 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 ng silicon scribing) na sinusundan ng mechanical tape separation. Ang nanosecond pulse laser ay maaaring magproseso ng 15 wafer kada oras, at ang picosecond laser ay maaaring magproseso ng 23 wafer kada oras, na may mas mataas na kalidad.
03 Paggupit/pag-ukit ng salamin sa industriya ng mga consumable na elektroniko
Ang mga touch screen at salamin na pangproteksyon para sa mga mobile phone at laptop ay nagiging mas manipis at ang ilang mga geometric na hugis ay kurbado. Dahil dito, mas mahirap ang tradisyonal na mekanikal na pagputol. Ang mga karaniwang laser ay karaniwang gumagawa ng mahinang kalidad ng pagputol, lalo na kapag ang mga glass display na ito ay nakapatong-patong sa 3-4 na patong at ang pang-itaas na 700 μm na kapal na proteksiyon na salamin ay na-temper, na maaaring mabasag dahil sa lokal na stress. Napatunayan na ang mga ultrafast laser ay kayang putulin ang mga salamin na ito nang may mas mahusay na lakas ng gilid. Para sa malalaking flat panel cutting, ang femtosecond laser ay maaaring itutok sa likurang bahagi ng glass sheet, na kinakamot ang loob ng salamin nang hindi nasisira ang harapang bahagi. Pagkatapos ay maaaring basagin ang salamin gamit ang mekanikal o thermal na paraan kasama ang naka-iskor na pattern.
Pigura 3. Picosecond ultrafast laser glass na may espesyal na hugis na pagputol
04 Mga tekstura ng piston sa industriya ng automotive
Ang mga magaan na makina ng kotse ay gawa sa mga aluminum alloy, na hindi kasing-tibay ng cast iron. Natuklasan ng mga pag-aaral na ang femtosecond laser processing ng mga tekstura ng piston ng kotse ay maaaring makabawas ng friction nang hanggang 25% dahil ang mga debris at langis ay maaaring epektibong maiimbak.
Pigura 4. Pagproseso ng femtosecond laser ng mga piston ng makina ng sasakyan upang mapabuti ang pagganap ng makina
05 Paggawa ng coronary stent sa industriya ng medisina
Milyun-milyong coronary stent ang itinatanim sa mga coronary arteries ng katawan upang magbukas ng daluyan para sa pagdaloy ng dugo papunta sa mga namuong daluyan ng dugo, na nagliligtas ng milyun-milyong buhay bawat taon. Ang mga coronary stent ay karaniwang gawa sa metal (hal., hindi kinakalawang na asero, nickel-titanium shape memory alloy, o mas kamakailan ay cobalt-chromium alloy) wire mesh na may lapad na strut na humigit-kumulang 100 μm. Kung ikukumpara sa long-pulse laser cutting, ang mga bentahe ng paggamit ng ultrafast lasers sa pagputol ng mga bracket ay mataas na kalidad ng pagputol, mas mahusay na surface finish, at mas kaunting debris, na nakakabawas sa mga gastos sa post-processing.
06 Paggawa ng mga aparatong microfluidic para sa industriya ng medisina
Ang mga microfluidic device ay karaniwang ginagamit sa industriya ng medisina para sa pagsusuri at pag-diagnose ng sakit. Karaniwang ginagawa ang mga ito sa pamamagitan ng micro-injection molding ng mga indibidwal na bahagi at pagkatapos ay pinagbubuklod gamit ang gluing o welding. Ang ultrafast laser fabrication ng mga microfluidic device ay may bentahe ng paggawa ng mga 3D microchannel sa loob ng mga transparent na materyales tulad ng salamin nang hindi nangangailangan ng mga koneksyon. Ang isang paraan ay ang ultrafast laser fabrication sa loob ng isang bulk glass na sinusundan ng wet chemical etching, at ang isa pa ay ang femtosecond laser ablation sa loob ng salamin o plastik sa distilled water upang alisin ang mga debris. Ang isa pang paraan ay ang paglalagay ng mga channel sa ibabaw ng salamin at pagtatakan ang mga ito ng takip na salamin sa pamamagitan ng femtosecond laser welding.
Pigura 6. Femtosecond laser-induced selective etching upang ihanda ang mga microfluidic channel sa loob ng mga materyales na salamin
07 Pagbabarena nang kaunti ng nozzle ng injector
Pinalitan ng femtosecond laser microhole machining ang micro-EDM sa maraming kumpanya sa merkado ng high-pressure injector dahil sa mas malawak 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 pagkiling ng beam sa pamamagitan ng isang precessing scan head ay humantong sa disenyo ng mga aperture profile (hal., barrel, flare, convergence, divergence) na maaaring magsulong ng atomization o penetration sa combustion chamber. Ang oras ng pagbabarena ay depende sa ablation volume, na may kapal ng drill na 0.2 – 0.5 mm at diameter ng butas na 0.12 – 0.25 mm, na ginagawang mas mabilis ang pamamaraang ito nang sampung beses kaysa sa micro-EDM. Ang microdrilling ay isinasagawa sa tatlong yugto, kabilang ang roughing at pagtatapos ng mga through-pilot hole. Ang argon ay ginagamit bilang isang auxiliary gas upang protektahan ang borehole mula sa oksihenasyon at upang protektahan ang pangwakas na plasma sa mga unang yugto.
Pigura 7. Pagproseso ng mataas na katumpakan gamit ang femtosecond laser ng inverted taper hole para sa injector ng diesel engine
08 Napakabilis na pag-texture gamit ang laser
Sa mga nakaraang taon, upang mapabuti ang katumpakan ng machining, mabawasan ang pinsala sa materyal, at mapataas ang kahusayan sa pagproseso, ang larangan ng micromachining ay unti-unting naging pokus ng mga mananaliksik. Ang ultrafast laser ay may iba't ibang bentahe sa pagproseso tulad ng mababang pinsala at mataas na katumpakan, na naging pokus ng pagtataguyod ng pag-unlad ng teknolohiya sa pagproseso. Kasabay nito, ang mga ultrafast laser ay maaaring kumilos sa iba't ibang materyales, at ang pinsala sa materyal na pinoproseso ng laser ay isa ring pangunahing direksyon ng pananaliksik. Ginagamit ang ultrafast laser upang ablate ang mga materyales. Kapag ang energy density ng laser ay mas mataas kaysa sa ablation threshold ng materyal, ang ibabaw ng ablated na materyal ay magpapakita ng micro-nano na istraktura na may ilang mga katangian. Ipinapakita ng pananaliksik na ang espesyal na istrukturang pang-ibabaw na ito ay isang karaniwang phenomenon na nangyayari kapag pinoproseso ang mga materyales gamit ang laser. Ang paghahanda ng mga surface micro-nano na istraktura 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 surface micro-nano na istraktura gamit ang ultrafast laser na may mahalagang kahalagahan sa pag-unlad. Sa kasalukuyan, para sa mga materyales na metal, ang pananaliksik sa ultrafast laser surface texturing ay maaaring mapabuti ang mga katangian ng pagbasa ng ibabaw ng metal, mapabuti ang mga katangian ng friction at wear sa ibabaw, mapahusay ang pagdikit ng patong, at direksyonal na paglaganap at pagdikit ng mga selula.
Pigura 8. Mga katangiang superhydrophobic ng ibabaw ng silicon na inihanda gamit ang laser
Bilang isang makabagong teknolohiya sa pagproseso, ang ultrafast laser processing ay may mga katangian ng maliit na sonang apektado ng init, hindi linear na proseso ng interaksyon sa mga materyales, at pagprosesong may mataas na resolution na lampas sa limitasyon ng diffraction. Maaari nitong maisakatuparan ang mataas na kalidad at mataas na katumpakan na micro-nano processing ng iba't ibang materyales, at three-dimensional 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 daan para sa micro-nano manufacturing. Sa kasalukuyan, ang femtosecond laser ay malawakang ginagamit sa maraming makabagong larangan ng agham: ang femtosecond laser ay maaaring gamitin upang maghanda ng iba't ibang optical device, tulad ng mga microlens array, bionic compound eyes, optical waveguides, at metasurfaces; gamit ang mataas na katumpakan at mataas na resolution nito. Gamit ang three-dimensional processing capabilities, ang femtosecond laser ay maaaring maghanda o mag-integrate ng mga microfluidic at optofluidic chips tulad ng mga microheater component at three-dimensional microfluidic channels. Bukod pa rito, ang femtosecond laser ay maaari ring maghanda ng iba't ibang uri ng surface micro-nanostructures upang makamit ang anti-reflection, anti-reflection, super-hydrophobic, anti-icing at iba pang mga tungkulin; hindi lamang iyon, ang femtosecond laser ay inilapat din sa larangan ng biomedicine, na nagpapakita ng natatanging pagganap sa mga larangan tulad ng biological micro-stent, cell culture substrates at biological microscopic imaging. Malawak na prospect ng aplikasyon. Sa kasalukuyan, ang mga larangan ng aplikasyon ng femtosecond laser processing ay lumalawak taon-taon. Bilang karagdagan sa mga nabanggit na micro-optics, microfluidics, multi-functional micro-nanostructures at biomedical engineering applications, ito rin ay gumaganap ng malaking papel sa ilang mga umuusbong na larangan, tulad ng metasurface preparation, micro-nano manufacturing at multi-dimensional optical information storage, atbp.
Oras ng pag-post: Abril-17-2024
