لیزر فوق سریع میکرو نانو کاربردهای تولید صنعتی

اگرچه لیزرهای فوق سریع چندین دهه است که وجود داشته است، کاربردهای صنعتی در دو دهه گذشته به سرعت رشد کرده است. در سال 2019، ارزش بازار ultrafastمواد لیزریفرآوری تقریباً 460 میلیون دلار آمریکا با نرخ رشد مرکب سالانه 13 درصد بود. زمینه های کاربردی که در آن لیزرهای فوق سریع به طور موفقیت آمیزی برای پردازش مواد صنعتی مورد استفاده قرار گرفته اند عبارتند از ساخت و تعمیر ماسک نوری در صنعت نیمه هادی و همچنین برش سیلیکونی، برش شیشه/خراش دادن شیشه و حذف فیلم ITO (اکسید قلع ایندیم) در لوازم الکترونیکی مصرفی مانند تلفن های همراه و تبلت ها. ، تکسچرینگ پیستون برای صنعت خودروسازی، ساخت استنت کرونر و ساخت دستگاه میکروسیال برای صنعت پزشکی.

01 ساخت و تعمیر ماسک عکس در صنعت نیمه هادی

لیزرهای فوق سریع در یکی از اولین کاربردهای صنعتی در پردازش مواد مورد استفاده قرار گرفتند. IBM استفاده از لیزر فمتوثانیه را در تولید ماسک های نوری در دهه 1990 گزارش کرد. در مقایسه با لیزر نانوثانیه‌ای که می‌تواند باعث پاشش فلز و آسیب شیشه شود، ماسک‌های لیزر فمتوثانیه هیچ پاشش فلز، بدون آسیب شیشه و غیره را نشان نمی‌دهند. از این روش برای تولید مدارهای مجتمع (IC) استفاده می شود. تولید یک تراشه آی سی ممکن است به 30 ماسک نیاز داشته باشد و هزینه آن بیش از 100000 دلار باشد. پردازش لیزر فمتوثانیه می تواند خطوط و نقاط زیر 150 نانومتر را پردازش کند.

شکل 1. ساخت و تعمیر ماسک عکس

شکل 2. نتایج بهینه سازی الگوهای مختلف ماسک برای لیتوگرافی فرابنفش شدید

02 برش سیلیکون در صنعت نیمه هادی

تاس ویفر سیلیکونی یک فرآیند تولید استاندارد در صنعت نیمه هادی است و معمولاً با استفاده از تاس مکانیکی انجام می شود. این چرخ های برش اغلب ریزترک ایجاد می کنند و برش ویفرهای نازک (مثلاً ضخامت کمتر از 150 میکرومتر) دشوار است. برش لیزری ویفرهای سیلیکونی سالهاست که در صنعت نیمه هادی به ویژه برای ویفرهای نازک (100-200 میکرومتر) استفاده می شود و در چند مرحله انجام می شود: شیارکاری لیزری و به دنبال آن جداسازی مکانیکی یا برش پنهان (یعنی پرتو لیزر مادون قرمز در داخل). خط سیلیکونی) و به دنبال آن جداسازی نوار مکانیکی. لیزر پالس نانوثانیه می تواند 15 ویفر در ساعت را پردازش کند و لیزر پیکوثانیه می تواند 23 ویفر در ساعت را با کیفیت بالاتر پردازش کند.

03 برش/خراش شیشه در صنعت الکترونیک مصرفی

نمایشگرهای لمسی و عینک‌های محافظ برای تلفن‌های همراه و لپ‌تاپ نازک‌تر می‌شوند و برخی از اشکال هندسی منحنی می‌شوند. این امر برش مکانیکی سنتی را دشوارتر می کند. لیزرهای معمولی معمولاً کیفیت برش ضعیفی تولید می‌کنند، به‌ویژه زمانی که این نمایشگرهای شیشه‌ای 3-4 لایه روی هم قرار می‌گیرند و شیشه محافظ با ضخامت 700 میکرومتر نرم شده است، که می‌تواند با استرس موضعی شکسته شود. لیزرهای فوق سریع نشان داده اند که می توانند این عینک ها را با استحکام لبه بهتری برش دهند. برای برش صفحه تخت بزرگ، لیزر فمتوثانیه را می توان بر روی سطح پشتی ورق شیشه متمرکز کرد و بدون آسیب رساندن به سطح جلو، داخل شیشه را خراش داد. سپس می توان شیشه را با استفاده از وسایل مکانیکی یا حرارتی در امتداد الگوی نمره گذاری شده شکست.

شکل 3. برش شیشه لیزری فوق سریع Picosecond به شکل خاص

04 بافت پیستونی در صنعت خودرو

موتورهای خودروهای سبک وزن از آلیاژهای آلومینیوم ساخته شده اند که به اندازه چدن در برابر سایش مقاوم نیستند. مطالعات نشان داده‌اند که پردازش لیزر فمتوثانیه بافت‌های پیستون خودرو می‌تواند اصطکاک را تا ۲۵ درصد کاهش دهد، زیرا زباله‌ها و روغن را می‌توان به طور موثر ذخیره کرد.

شکل 4. پردازش لیزری فمتوثانیه پیستون های موتور خودرو برای بهبود عملکرد موتور

05 ساخت استنت عروق کرونر در صنعت پزشکی

میلیون‌ها استنت کرونری در شریان‌های کرونر بدن کاشته می‌شوند تا کانالی را برای جریان خون به رگ‌های لخته‌شده باز کنند و هر ساله جان میلیون‌ها نفر را نجات دهند. استنت‌های کرونر معمولاً از فلز (به عنوان مثال، فولاد ضد زنگ، آلیاژ حافظه دار نیکل-تیتانیوم، یا اخیراً آلیاژ کبالت-کروم) با پهنای پایه تقریباً 100 میکرومتر ساخته می‌شوند. در مقایسه با برش لیزر با پالس بلند، مزایای استفاده از لیزرهای فوق سریع برای برش براکت ها کیفیت برش بالا، سطح بهتر و ضایعات کمتر است که هزینه های پس از پردازش را کاهش می دهد.

06 ساخت دستگاه میکروفلوئیدیک برای صنعت پزشکی

دستگاه های میکروفلوئیدیک معمولاً در صنعت پزشکی برای آزمایش و تشخیص بیماری استفاده می شوند. اینها معمولاً با قالب گیری تزریقی میکرو تک تک قطعات و سپس اتصال با استفاده از چسب یا جوش ساخته می شوند. ساخت لیزر فوق سریع دستگاه های میکروسیال دارای مزیت تولید میکروکانال های سه بعدی در مواد شفاف مانند شیشه بدون نیاز به اتصال است. یک روش ساخت لیزر فوق سریع در داخل یک لیوان حجیم و به دنبال آن اچینگ شیمیایی مرطوب است و روش دیگر فرسایش لیزری فمتوثانیه در داخل شیشه یا پلاستیک در آب مقطر برای حذف زباله ها است. روش دیگر این است که کانال ها را به سطح شیشه ماشین کاری کنید و آنها را با یک پوشش شیشه ای از طریق جوش لیزری فمتوثانیه ببندید.

شکل 6. حکاکی انتخابی ناشی از لیزر فمتوثانیه برای تهیه کانال های میکروسیالی در داخل مواد شیشه ای

07 میکرو حفاری نازل انژکتور

ماشینکاری میکروچاله لیزری فمتوثانیه به دلیل انعطاف پذیری بیشتر در تغییر پروفیل سوراخ جریان و زمان ماشینکاری کوتاهتر، جایگزین میکرو EDM در بسیاری از شرکتها در بازار انژکتورهای فشار بالا شده است. توانایی کنترل خودکار موقعیت فوکوس و شیب پرتو از طریق سر اسکن پیش‌رو منجر به طراحی پروفیل‌های دیافراگم (به عنوان مثال، بشکه، شعله‌ور شدن، همگرایی، واگرایی) شده است که می‌تواند اتمیزه شدن یا نفوذ را در محفظه احتراق افزایش دهد. زمان حفاری به حجم فرسایش بستگی دارد، با ضخامت مته 0.2 تا 0.5 میلی متر و قطر سوراخ 0.12 تا 0.25 میلی متر، که این روش را ده برابر سریعتر از میکرو EDM می کند. میکرو حفاری در سه مرحله انجام می شود که شامل خشن کردن و تکمیل سوراخ های عبوری است. آرگون به عنوان یک گاز کمکی برای محافظت از گمانه در برابر اکسیداسیون و محافظت از پلاسمای نهایی در مراحل اولیه استفاده می شود.

شکل 7. پردازش لیزری فمتوثانیه با دقت بالا سوراخ مخروطی معکوس برای انژکتور موتور دیزل

08 بافت لیزری فوق العاده سریع

در سال‌های اخیر، به منظور بهبود دقت ماشین‌کاری، کاهش آسیب‌های مواد و افزایش راندمان پردازش، زمینه ریزماشین‌کاری به تدریج مورد توجه محققان قرار گرفته است. لیزر فوق سریع دارای مزایای پردازشی مختلفی مانند آسیب کم و دقت بالا است که به تمرکز توسعه فناوری پردازش تبدیل شده است. در عین حال، لیزرهای فوق سریع می توانند بر روی انواع مختلفی از مواد عمل کنند و آسیب مواد پردازش لیزری نیز یک جهت تحقیقاتی اصلی است. لیزر فوق سریع برای فرسایش مواد استفاده می شود. زمانی که چگالی انرژی لیزر بیشتر از آستانه فرسایش ماده باشد، سطح ماده ساییده شده ساختار میکرو نانویی با ویژگی های خاص را نشان می دهد. تحقیقات نشان می‌دهد که این ساختار سطحی ویژه پدیده‌ای رایج است که هنگام پردازش لیزری مواد رخ می‌دهد. تهیه ساختارهای میکرو نانو سطحی می تواند خواص خود ماده را بهبود بخشد و همچنین امکان توسعه مواد جدید را فراهم کند. این امر، تهیه ساختارهای میکرو نانو سطحی توسط لیزر فوق سریع را به یک روش فنی با اهمیت توسعه تبدیل می کند. در حال حاضر، برای مواد فلزی، تحقیقات بر روی بافت سطح لیزری فوق سریع می‌تواند خواص مرطوب‌کنندگی سطح فلز را بهبود بخشد، خواص اصطکاک و سایش سطح را بهبود بخشد، چسبندگی پوشش و تکثیر جهت و چسبندگی سلول‌ها را افزایش دهد.

شکل 8. خواص فوق آبگریز سطح سیلیکون آماده شده با لیزر

به عنوان یک فناوری پردازش پیشرفته، پردازش لیزر فوق سریع دارای ویژگی های منطقه کوچک تحت تأثیر حرارت، فرآیند غیر خطی تعامل با مواد و پردازش با وضوح بالا فراتر از حد پراش است. این می تواند پردازش میکرو نانو با کیفیت بالا و با دقت بالا مواد مختلف را انجام دهد. و ساخت ساختار میکرو نانو سه بعدی. دستیابی به تولید لیزری مواد خاص، ساختارهای پیچیده و دستگاه‌های ویژه راه‌های جدیدی را برای تولید میکرونانو باز می‌کند. در حال حاضر، لیزر فمتوثانیه به طور گسترده در بسیاری از زمینه‌های علمی پیشرفته مورد استفاده قرار گرفته است: لیزر فمتوثانیه می‌تواند برای تهیه دستگاه‌های نوری مختلف مانند آرایه‌های میکرولنز، چشم‌های ترکیبی بیونیک، موجبرهای نوری و متاسطح استفاده شود. لیزر فمتوثانیه با استفاده از دقت بالا، وضوح بالا و با قابلیت‌های پردازش سه‌بعدی، می‌تواند تراشه‌های میکروسیال و اپتوفلویدیک مانند اجزای میکروهیتر و کانال‌های میکروسیال سه‌بعدی را آماده یا ادغام کند. علاوه بر این، لیزر فمتوثانیه همچنین می تواند انواع مختلفی از میکرونانو ساختارهای سطحی را برای دستیابی به عملکردهای ضد انعکاس، ضد انعکاس، فوق آبگریز، ضد یخ و سایر عملکردها آماده کند. نه تنها این، لیزر فمتوثانیه در زمینه زیست پزشکی نیز به کار گرفته شده است و عملکرد فوق العاده ای را در زمینه هایی مانند میکرو استنت های بیولوژیکی، بسترهای کشت سلولی و تصویربرداری میکروسکوپی بیولوژیکی نشان می دهد. چشم اندازهای کاربردی گسترده در حال حاضر، زمینه های کاربردی پردازش لیزر فمتوثانیه سال به سال در حال گسترش است. علاوه بر میکرواپتیک، میکروسیالات، ریز نانوساختارهای چند منظوره و کاربردهای مهندسی زیست پزشکی ذکر شده، در برخی از زمینه‌های نوظهور مانند آماده‌سازی فراسطح نیز نقش بزرگی ایفا می‌کند. ، ساخت میکرو نانو و ذخیره سازی اطلاعات نوری چند بعدی و غیره.