اگرچه لیزرهای فوق سریع دهههاست که وجود دارند، اما کاربردهای صنعتی آنها در دو دهه گذشته به سرعت رشد کرده است. در سال ۲۰۱۹، ارزش بازار لیزرهای فوق سریعمواد لیزریپردازش تقریباً ۴۶۰ میلیون دلار آمریکا با نرخ رشد مرکب سالانه ۱۳٪ بود. حوزههای کاربردی که لیزرهای فوق سریع با موفقیت برای پردازش مواد صنعتی در آنها استفاده شدهاند شامل ساخت و تعمیر ماسک نوری در صنعت نیمههادی و همچنین برش سیلیکون، برش/خطکشی شیشه و حذف فیلم ITO (اکسید قلع ایندیوم) در لوازم الکترونیکی مصرفی مانند تلفنهای همراه و تبلتها، بافتدهی پیستون برای صنعت خودرو، ساخت استنت کرونری و ساخت دستگاههای میکروفلوئیدیک برای صنعت پزشکی است.
01 تولید و تعمیر فوتوماسک در صنعت نیمه هادی
لیزرهای فوق سریع در یکی از اولین کاربردهای صنعتی در پردازش مواد مورد استفاده قرار گرفتند. IBM در دهه 1990 از کاربرد فرسایش لیزری فمتوثانیه در تولید ماسک نوری خبر داد. در مقایسه با فرسایش لیزری نانوثانیه که میتواند باعث پاشش فلز و آسیب به شیشه شود، ماسکهای لیزری فمتوثانیه هیچ پاشش فلزی، آسیب به شیشه و غیره نشان نمیدهند. مزایا. این روش برای تولید مدارهای مجتمع (IC) استفاده میشود. تولید یک تراشه IC ممکن است به حداکثر 30 ماسک نیاز داشته باشد و بیش از 100000 دلار هزینه داشته باشد. پردازش لیزری فمتوثانیه میتواند خطوط و نقاط زیر 150 نانومتر را پردازش کند.
شکل ۱. ساخت و تعمیر ماسک نوری
شکل 2. نتایج بهینهسازی الگوهای مختلف ماسک برای لیتوگرافی فرابنفش شدید
02 برش سیلیکون در صنعت نیمه هادی
برش ویفر سیلیکونی یک فرآیند تولید استاندارد در صنعت نیمهرسانا است و معمولاً با استفاده از برش مکانیکی انجام میشود. این چرخهای برش اغلب ترکهای ریز ایجاد میکنند و برش ویفرهای نازک (مثلاً ضخامت کمتر از ۱۵۰ میکرومتر) دشوار است. برش لیزری ویفرهای سیلیکونی سالهاست که در صنعت نیمهرساناها، به ویژه برای ویفرهای نازک (۱۰۰-۲۰۰ میکرومتر) استفاده میشود و در چندین مرحله انجام میشود: شیارزنی لیزری، و به دنبال آن جداسازی مکانیکی یا برش مخفی (یعنی پرتو لیزر مادون قرمز درون حکاکی سیلیکون) و به دنبال آن جداسازی نوار مکانیکی. لیزر پالس نانوثانیهای میتواند ۱۵ ویفر در ساعت و لیزر پیکوثانیهای میتواند ۲۳ ویفر در ساعت را با کیفیت بالاتر پردازش کند.
03 برش/خطکشی شیشه در صنعت لوازم الکترونیکی مصرفی
صفحات لمسی و شیشههای محافظ تلفنهای همراه و لپتاپها نازکتر میشوند و برخی از اشکال هندسی منحنی هستند. این امر برش مکانیکی سنتی را دشوارتر میکند. لیزرهای معمولی معمولاً کیفیت برش ضعیفی ایجاد میکنند، به خصوص هنگامی که این نمایشگرهای شیشهای ۳-۴ لایه روی هم قرار میگیرند و شیشه محافظ با ضخامت ۷۰۰ میکرومتر بالایی حرارت داده میشود که میتواند با تنش موضعی بشکند. نشان داده شده است که لیزرهای فوق سریع میتوانند این شیشهها را با استحکام لبه بهتر برش دهند. برای برش صفحات تخت بزرگ، لیزر فمتوثانیه میتواند روی سطح پشتی ورق شیشه متمرکز شود و بدون آسیب رساندن به سطح جلویی، داخل شیشه را خراش دهد. سپس شیشه را میتوان با استفاده از وسایل مکانیکی یا حرارتی در امتداد الگوی خطدار شکست.
شکل 3. برش شیشه با لیزر فوق سریع پیکوثانیهای به شکل خاص
04 بافتهای پیستون در صنعت خودرو
موتورهای سبک خودرو از آلیاژهای آلومینیوم ساخته میشوند که به اندازه چدن در برابر سایش مقاوم نیستند. مطالعات نشان دادهاند که پردازش لیزری فمتوثانیهای بافتهای پیستون خودرو میتواند اصطکاک را تا 25٪ کاهش دهد زیرا میتوان خردهها و روغن را به طور مؤثر ذخیره کرد.
شکل ۴. پردازش لیزری فمتوثانیه پیستونهای موتور خودرو برای بهبود عملکرد موتور
05 تولید استنت کرونری در صنعت پزشکی
میلیونها استنت کرونری در شریانهای کرونری بدن کاشته میشوند تا کانالی برای جریان خون به داخل رگهای لخته شده باز کنند و سالانه جان میلیونها نفر را نجات دهند. استنتهای کرونری معمولاً از توری سیمی فلزی (مثلاً فولاد ضد زنگ، آلیاژ حافظهدار نیکل-تیتانیوم یا اخیراً آلیاژ کبالت-کروم) با عرض تقریبی ۱۰۰ میکرومتر ساخته میشوند. در مقایسه با برش لیزری با پالس طولانی، مزایای استفاده از لیزرهای فوق سریع برای برش براکتها، کیفیت بالای برش، پرداخت سطح بهتر و ضایعات کمتر است که هزینههای پس از پردازش را کاهش میدهد.
06 تولید دستگاه میکروفلوئیدیک برای صنعت پزشکی
دستگاههای میکروفلوئیدیک معمولاً در صنعت پزشکی برای آزمایش و تشخیص بیماری استفاده میشوند. این دستگاهها معمولاً با قالبگیری تزریقی میکرو قطعات جداگانه و سپس اتصال با استفاده از چسب یا جوشکاری ساخته میشوند. ساخت لیزری فوق سریع دستگاههای میکروفلوئیدیک این مزیت را دارد که میکروکانالهای سهبعدی را در مواد شفاف مانند شیشه بدون نیاز به اتصالات تولید میکند. یک روش، ساخت لیزری فوق سریع در داخل یک شیشه حجیم و به دنبال آن حکاکی شیمیایی مرطوب است و روش دیگر، فرسایش لیزری فمتوثانیه در داخل شیشه یا پلاستیک در آب مقطر برای حذف زبالهها است. رویکرد دیگر، ماشینکاری کانالها در سطح شیشه و آببندی آنها با یک پوشش شیشهای از طریق جوشکاری لیزری فمتوثانیه است.
شکل 6. حکاکی انتخابی ناشی از لیزر فمتوثانیه برای تهیه کانالهای میکروفلوئیدیک درون مواد شیشهای
07 میکرودریل کاری نازل انژکتور
ماشینکاری میکروحفره با لیزر فمتوثانیه در بسیاری از شرکتهای فعال در بازار انژکتورهای فشار بالا، به دلیل انعطافپذیری بیشتر در تغییر پروفیلهای جریان حفره و زمانهای ماشینکاری کوتاهتر، جایگزین میکرو-EDM شده است. توانایی کنترل خودکار موقعیت فوکوس و شیب پرتو از طریق یک هد اسکن پیشپردازش، منجر به طراحی پروفیلهای روزنه (مثلاً بشکهای، شعلهور، همگرایی، واگرایی) شده است که میتواند اتمیزه شدن یا نفوذ در محفظه احتراق را ارتقا دهد. زمان حفاری به حجم فرسایش بستگی دارد، با ضخامت مته 0.2 تا 0.5 میلیمتر و قطر سوراخ 0.12 تا 0.25 میلیمتر، که این تکنیک را ده برابر سریعتر از میکرو-EDM میکند. میکروحفرهبرداری در سه مرحله انجام میشود، از جمله خشنکاری و پرداخت سوراخهای آزمایشی. آرگون به عنوان گاز کمکی برای محافظت از گمانه در برابر اکسیداسیون و محافظت از پلاسمای نهایی در مراحل اولیه استفاده میشود.
شکل 7. پردازش دقیق سوراخ مخروطی معکوس برای انژکتور موتور دیزل با لیزر فمتوثانیه
08 بافتدهی لیزری فوقالعاده سریع
در سالهای اخیر، به منظور بهبود دقت ماشینکاری، کاهش آسیب به مواد و افزایش راندمان پردازش، حوزه میکروماشینکاری به تدریج مورد توجه محققان قرار گرفته است. لیزر فوق سریع مزایای پردازشی مختلفی مانند آسیب کم و دقت بالا دارد که به کانون توجه در توسعه فناوری پردازش تبدیل شده است. در عین حال، لیزرهای فوق سریع میتوانند بر روی انواع مواد عمل کنند و آسیب به مواد در پردازش لیزری نیز یک جهت تحقیقاتی اصلی است. از لیزر فوق سریع برای سایش مواد استفاده میشود. هنگامی که چگالی انرژی لیزر بالاتر از آستانه سایش ماده باشد، سطح ماده سایش یافته یک ساختار میکرو-نانو با ویژگیهای خاص نشان میدهد. تحقیقات نشان میدهد که این ساختار سطحی ویژه، پدیدهای رایج است که هنگام پردازش لیزری مواد رخ میدهد. تهیه ساختارهای میکرو-نانو سطحی میتواند 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 توسعهای مهم تبدیل میکند. در حال حاضر، برای مواد فلزی، تحقیقات در مورد بافتدهی سطح با لیزر فوقسریع میتواند خواص ترشوندگی سطح فلز، اصطکاک سطحی و خواص سایشی را بهبود بخشد، چسبندگی پوشش و تکثیر و چسبندگی جهتدار سلولها را افزایش دهد.
شکل 8. خواص فوق آبگریز سطح سیلیکونی آماده شده با لیزر
به عنوان یک فناوری پردازش پیشرفته، پردازش لیزری فوق سریع دارای ویژگیهایی از جمله منطقه تحت تأثیر حرارت کوچک، فرآیند غیرخطی برهمکنش با مواد و پردازش با وضوح بالا فراتر از حد پراش است. این فناوری میتواند پردازش میکرو-نانو با کیفیت بالا و دقت بالا از مواد مختلف و ساخت ساختارهای میکرو-نانو سهبعدی را محقق کند. دستیابی به تولید لیزری مواد خاص، ساختارهای پیچیده و دستگاههای خاص، راههای جدیدی را برای تولید میکرو-نانو 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 مرکب بیونیک، موجبرهای نوری و متاسطوح استفاده شود. لیزر فمتوثانیه با استفاده از دقت بالا، وضوح بالا و قابلیتهای پردازش سهبعدی خود، میتواند تراشههای میکروفلوئیدیک و اپتوفلویدیک مانند اجزای میکروهیتر و کانالهای میکروفلوئیدیک سهبعدی را تهیه یا ادغام کند. علاوه بر این، لیزر فمتوثانیه میتواند انواع مختلفی از میکرو-نانوساختارهای سطحی را برای دستیابی به خواص ضد انعکاس، ضد انعکاس، فوق آبگریز، ضد یخ و سایر عملکردها آماده کند. لیزر فمتوثانیه نه تنها در زمینه زیستپزشکی نیز کاربرد داشته و عملکرد فوقالعادهای در زمینههایی مانند میکرو-استنتهای بیولوژیکی، بسترهای کشت سلولی و تصویربرداری میکروسکوپی بیولوژیکی نشان داده است. چشماندازهای کاربردی گسترده. در حال حاضر، زمینههای کاربردی پردازش لیزر فمتوثانیه سال به سال در حال گسترش است. علاوه بر کاربردهای میکرو-اپتیک، میکروفلوئیدیک، میکرو-نانوساختارهای چند منظوره و مهندسی زیستپزشکی که در بالا ذکر شد، این لیزر همچنین نقش بزرگی در برخی از زمینههای نوظهور مانند آمادهسازی متاسطح، تولید میکرو-نانو و ذخیرهسازی اطلاعات نوری چند بعدی و غیره ایفا میکند.
زمان ارسال: ۱۷ آوریل ۲۰۲۴
