Selvom ultrahurtige lasere har eksisteret i årtier, er industrielle applikationer vokset hurtigt i de sidste to årtier. I 2019 var markedsværdien af ultrahurtiglaser materialeforarbejdning var ca. US$460 millioner, med en sammensat årlig vækstrate på 13%. Anvendelsesområder, hvor ultrahurtige lasere med succes er blevet brugt til at behandle industrielle materialer, omfatter fotomaskefremstilling og reparation i halvlederindustrien samt siliciumudskæring, glasskæring/-scribing og (indiumtinoxid) ITO-filmfjernelse i forbrugerelektronik såsom mobiltelefoner og tablets , stempelteksturering til bilindustrien, fremstilling af koronar stent og fremstilling af mikrofluidisk enhed til den medicinske industri.
01 Fotomaskefremstilling og reparation i halvlederindustrien
Ultrahurtige lasere blev brugt i en af de tidligste industrielle anvendelser i materialebehandling. IBM rapporterede anvendelsen af femtosekund laserablation i fotomaskeproduktion i 1990'erne. Sammenlignet med nanosekund laserablation, som kan give metalsprøjt og glasskader, viser femtosekund lasermasker ingen metalsprøjt, ingen glasskader osv. Fordelene. Denne metode bruges til at producere integrerede kredsløb (IC'er). At producere en IC-chip kan kræve op til 30 masker og koste >$100.000. Femtosekund laserbehandling kan behandle linjer og punkter under 150nm.
Figur 1. Fremstilling og reparation af fotomasker
Figur 2. Optimeringsresultater af forskellige maskemønstre til ekstrem ultraviolet litografi
02 Siliciumskæring i halvlederindustrien
Skæring af siliciumwafer er en standardfremstillingsproces i halvlederindustrien og udføres typisk ved hjælp af mekanisk deling. Disse skæreskiver udvikler ofte mikrorevner og er svære at skære tynde (f.eks. tykkelse < 150 μm) skiver. Laserskæring af siliciumwafers har været brugt i halvlederindustrien i mange år, især til tynde wafere (100-200μm), og udføres i flere trin: laserrilling, efterfulgt af mekanisk adskillelse eller stealth cutting (dvs. infrarød laserstråle indeni silicium-ridsningen) efterfulgt af mekanisk tapeadskillelse. Nanosekund-pulslaseren kan behandle 15 wafers i timen, og picosecond-laseren kan behandle 23 wafers i timen med højere kvalitet.
03 Glasskæring/-skæring i elektronikindustrien
Berøringsskærme og beskyttelsesbriller til mobiltelefoner og bærbare computere bliver tyndere, og nogle geometriske former er buede. Dette gør traditionel mekanisk skæring vanskeligere. Typiske lasere producerer typisk dårlig skærekvalitet, især når disse glasskærme er stablet 3-4 lag, og det øverste 700 μm tykke beskyttelsesglas er hærdet, hvilket kan bryde med lokal belastning. Ultrahurtige lasere har vist sig at kunne skære disse briller med bedre kantstyrke. Til stor fladskærmsskæring kan femtosekund-laseren fokuseres på bagsiden af glaspladen og ridse indersiden af glasset uden at beskadige frontfladen. Glasset kan derefter knuses ved hjælp af mekaniske eller termiske midler langs det ridsede mønster.
Figur 3. Picosecond ultrahurtig laserglas specialformet skæring
04 Stempelteksturer i bilindustrien
Letvægtsbilmotorer er lavet af aluminiumslegeringer, som ikke er så slidstærke som støbejern. Undersøgelser har fundet ud af, at femtosekund laserbehandling af bilstempelteksturer kan reducere friktionen med op til 25 %, fordi affald og olie effektivt kan opbevares.
Figur 4. Femtosekund laserbehandling af automobilmotorstempler for at forbedre motorens ydeevne
05 Fremstilling af koronar stent i den medicinske industri
Millioner af koronarstents implanteres i kroppens kranspulsårer for at åbne en kanal for blod til at strømme ind i ellers størknede kar, hvilket redder millioner af liv hvert år. Koronare stents er typisk lavet af metal (f.eks. rustfrit stål, nikkel-titanium formhukommelseslegering eller for nylig kobolt-kromlegering) trådnet med en stiverbredde på ca. 100 μm. Sammenlignet med laserskæring med lang puls er fordelene ved at bruge ultrahurtige lasere til at skære beslag høj skærekvalitet, bedre overfladefinish og mindre snavs, hvilket reducerer omkostningerne til efterbehandling.
06 Fremstilling af mikrofluidisk udstyr til den medicinske industri
Mikrofluidiske enheder er almindeligt anvendt i den medicinske industri til sygdomstestning og diagnose. Disse fremstilles typisk ved mikrosprøjtestøbning af individuelle dele og derefter limning ved hjælp af limning eller svejsning. Ultrahurtig laserfremstilling af mikrofluidiske enheder har den fordel, at de producerer 3D-mikrokanaler i transparente materialer som glas uden behov for tilslutninger. En metode er ultrahurtig laserfremstilling inde i et bulkglas efterfulgt af våd kemisk ætsning, og en anden er femtosekund laserablation inde i glas eller plastik i destilleret vand for at fjerne snavs. En anden fremgangsmåde er at bearbejde kanaler ind i glasoverfladen og forsegle dem med et glasdæksel via femtosekund lasersvejsning.
Figur 6. Femtosekund laser-induceret selektiv ætsning for at forberede mikrofluidkanaler inde i glasmaterialer
07 Mikroboring af injektordyse
Femtosekund laser mikrohul-bearbejdning har erstattet mikro-EDM hos mange virksomheder på højtryksinjektormarkedet på grund af større fleksibilitet i ændring af flowhulprofiler og kortere bearbejdningstider. Evnen til automatisk at kontrollere strålens fokusposition og hældning gennem et forudgående scanningshoved har ført til designet af blændeprofiler (f.eks. cylinder, flare, konvergens, divergens), der kan fremme forstøvning eller gennemtrængning i forbrændingskammeret. Boretiden afhænger af ablationsvolumenet, med bortykkelse på 0,2 – 0,5 mm og huldiameter på 0,12 – 0,25 mm, hvilket gør denne teknik ti gange hurtigere end mikro-EDM. Mikroboring udføres i tre trin, herunder skrubning og efterbehandling af gennemgående pilothuller. Argon bruges som en hjælpegas til at beskytte borehullet mod oxidation og til at afskærme det endelige plasma i de indledende faser.
Figur 7. Femtosekund laser højpræcisionsbehandling af omvendt konisk hul til dieselmotorinjektor
08 Ultrahurtig laserteksturering
I de senere år, for at forbedre bearbejdningsnøjagtigheden, reducere materielle skader og øge forarbejdningseffektiviteten, er området for mikrobearbejdning gradvist blevet et fokus for forskere. Ultrahurtig laser har forskellige behandlingsfordele, såsom lav skade og høj præcision, hvilket er blevet fokus for at fremme udviklingen af behandlingsteknologi. Samtidig kan ultrahurtige lasere virke på en række forskellige materialer, og laserbehandling af materialeskader er også en vigtig forskningsretning. Ultrahurtig laser bruges til at fjerne materialer. Når laserens energitæthed er højere end materialets ablationstærskel, vil overfladen af det ablerede materiale vise en mikro-nano struktur med visse egenskaber. Forskning viser, at denne specielle overfladestruktur er et almindeligt fænomen, der opstår ved laserbehandling af materialer. Forberedelse af overflade mikro-nano strukturer kan forbedre egenskaberne af selve materialet og også muliggøre udvikling af nye materialer. Dette gør klargøring af overflademikro-nano-strukturer med ultrahurtig laser til en teknisk metode med vigtig udviklingsmæssig betydning. For metalmaterialer kan forskning i ultrahurtig laseroverfladeteksturering forbedre metaloverfladebefugtningsegenskaber, forbedre overfladefriktion og slidegenskaber, forbedre belægningsadhæsion og retningsbestemt spredning og adhæsion af celler.
Figur 8. Superhydrofobe egenskaber af laserforberedt siliciumoverflade
Som en banebrydende behandlingsteknologi har ultrahurtig laserbehandling karakteristika af lille varmepåvirket zone, ikke-lineær proces af interaktion med materialer og højopløsningsbehandling ud over diffraktionsgrænsen. Det kan realisere mikro-nano-behandling af høj kvalitet og høj præcision af forskellige materialer. og tredimensionel mikro-nano-strukturfremstilling. At opnå laserfremstilling af specielle materialer, komplekse strukturer og specielle enheder åbner nye veje for mikro-nano-fremstilling. På nuværende tidspunkt er femtosekundlaser blevet meget brugt i mange banebrydende videnskabelige områder: femtosekundlaser kan bruges til at forberede forskellige optiske enheder, såsom mikrolinsearrays, bioniske sammensatte øjne, optiske bølgeledere og metasurfaces; ved hjælp af sin høje præcision, høje opløsning og med tredimensionelle behandlingsevner kan femtosekundlaseren forberede eller integrere mikrofluid- og optofluidchips såsom mikrovarmekomponenter og tredimensionelle mikrofluidiske kanaler; derudover kan femtosekundlaser også forberede forskellige typer overflademikronanostrukturer for at opnå anti-refleksion, anti-refleksion, superhydrofob, anti-isning og andre funktioner; ikke kun det, femtosekundlaser er også blevet anvendt inden for biomedicin, der viser enestående ydeevne inden for områder som biologiske mikrostents, cellekultursubstrater og biologisk mikroskopisk billeddannelse. Brede anvendelsesmuligheder. På nuværende tidspunkt udvides anvendelsesområderne for femtosekund laserbehandling år for år. Ud over de ovennævnte mikro-optik, mikrofluidik, multifunktionelle mikro-nanostrukturer og biomedicinske ingeniørapplikationer, spiller det også en enorm rolle i nogle nye områder, såsom metasurface-forberedelse. , mikro-nano fremstilling og multidimensionel optisk informationslagring mv.
Indlægstid: 17-apr-2024
