Aínda que os láseres ultrarrápidos existen desde hai décadas, as aplicacións industriais creceron rapidamente nas últimas dúas décadas. En 2019, o valor de mercado dos láseres ultrarrápidosmaterial lásero procesamento foi de aproximadamente 460 millóns de dólares estadounidenses, cunha taxa de crecemento anual composta do 13 %. As áreas de aplicación onde se empregaron con éxito láseres ultrarrápidos para procesar materiais industriais inclúen a fabricación e reparación de fotomáscaras na industria dos semicondutores, así como o corte en cubos de silicio, o corte/rastro de vidro e a eliminación de películas de ITO (óxido de indio e estaño) en electrónica de consumo, como teléfonos móbiles e tabletas, a texturización de pistóns para a industria do automóbil, a fabricación de stents coronarios e a fabricación de dispositivos microfluídicos para a industria médica.
01 Fabricación e reparación de fotomáscaras na industria dos semicondutores
Os láseres ultrarrápidos empregáronse nunha das primeiras aplicacións industriais no procesamento de materiais. IBM informou da aplicación da ablación láser de femtosegundos na produción de fotomáscaras na década de 1990. En comparación coa ablación láser de nanosegundos, que pode producir salpicaduras de metal e danos no vidro, as máscaras láser de femtosegundos non mostran salpicaduras de metal, nin danos no vidro, etc. As vantaxes. Este método úsase para producir circuítos integrados (CI). A produción dun chip CI pode requirir ata 30 máscaras e custar máis de 100.000 dólares. O procesamento láser de femtosegundos pode procesar liñas e puntos por debaixo de 150 nm.
Figura 1. Fabricación e reparación de fotomáscaras
Figura 2. Resultados de optimización de diferentes patróns de máscara para litografía ultravioleta extrema
02 Corte de silicio na industria dos semicondutores
O corte en dados de obleas de silicio é un proceso de fabricación estándar na industria dos semicondutores e normalmente realízase mediante corte mecánico. Estas rodas de corte adoitan desenvolver microfendas e son difíciles de cortar en obleas finas (por exemplo, de grosor < 150 μm). O corte por láser de obleas de silicio utilizouse na industria dos semicondutores durante moitos anos, especialmente para obleas finas (100-200 μm), e realízase en varios pasos: ranurado por láser, seguido de separación mecánica ou corte furtivo (é dicir, raio láser infravermello dentro do gravado de silicio) seguido de separación mecánica en cinta. O láser de pulso de nanosegundos pode procesar 15 obleas por hora e o láser de picosegundos pode procesar 23 obleas por hora, con maior calidade.
03 Corte/rabo de vidro na industria da electrónica de consumo
As pantallas táctiles e as lentes protectoras para teléfonos móbiles e portátiles son cada vez máis delgadas e algunhas formas xeométricas están curvadas. Isto dificulta o corte mecánico tradicional. Os láseres típicos adoitan producir unha mala calidade de corte, especialmente cando estas pantallas de vidro se apilan en 3 ou 4 capas e o vidro protector superior de 700 μm de grosor está temperado, o que pode romperse con tensión localizada. Demostrouse que os láseres ultrarrápidos son capaces de cortar estes cristais cunha mellor resistencia aos bordos. Para o corte de paneis planos grandes, o láser de femtosegundos pode enfocarse na superficie traseira da folla de vidro, raiando o interior do vidro sen danar a superficie frontal. O vidro pode entón romperse mediante medios mecánicos ou térmicos ao longo do patrón de ranuras.
Figura 3. Corte de vidro con forma especial por láser ultrarrápido en picasegundos
04 Texturas de pistóns na industria automotriz
Os motores de automóbiles lixeiros están feitos de aliaxes de aluminio, que non son tan resistentes ao desgaste como o ferro fundido. Algúns estudos descubriron que o procesamento con láser de femtosegundos das texturas dos pistóns dos automóbiles pode reducir a fricción ata nun 25 % porque os residuos e o aceite poden almacenarse de forma eficaz.
Figura 4. Procesamento láser de femtosegundos de pistóns de motores de automóbiles para mellorar o rendemento do motor
05 Fabricación de stents coronarios na industria médica
Millóns de stents coronarios implántanse nas arterias coronarias do corpo para abrir unha canle para que o sangue flúa cara a vasos que doutro xeito estarían coagulados, salvando millóns de vidas cada ano. Os stents coronarios adoitan estar feitos de malla metálica (por exemplo, aceiro inoxidable, aliaxe de níquel-titanio con memoria de forma ou, máis recentemente, aliaxe de cobalto-cromo) cun ancho de puntal de aproximadamente 100 μm. En comparación co corte por láser de pulso longo, as vantaxes de usar láseres ultrarrápidos para cortar brackets son a alta calidade de corte, un mellor acabado superficial e menos residuos, o que reduce os custos de posprocesamento.
06 Fabricación de dispositivos microfluídicos para a industria médica
Os dispositivos microfluídicos úsanse habitualmente na industria médica para as probas e o diagnóstico de enfermidades. Normalmente fabrícanse mediante moldeo por microinxección de pezas individuais e logo uníndoas mediante pegado ou soldadura. A fabricación láser ultrarrápida de dispositivos microfluídicos ten a vantaxe de producir microcanais 3D dentro de materiais transparentes como o vidro sen necesidade de conexións. Un método é a fabricación láser ultrarrápida dentro dun vidro a granel seguida de gravado químico húmido, e outro é a ablación láser de femtosegundos dentro de vidro ou plástico en auga destilada para eliminar os residuos. Outro enfoque é mecanizar canles na superficie do vidro e selalas cunha cuberta de vidro mediante soldadura láser de femtosegundos.
Figura 6. Gravado selectivo inducido por láser de femtosegundos para preparar canais microfluídicos dentro de materiais de vidro
07 Microperforación da boquilla do inxector
A mecanización de microforos con láser de femtosegundos substituíu a microelectroerosión en moitas empresas do mercado de inxectores de alta presión debido á maior flexibilidade para cambiar os perfís dos orificios de fluxo e a tempos de mecanización máis curtos. A capacidade de controlar automaticamente a posición do foco e a inclinación do feixe a través dun cabezal de dixitalización de preceso levou ao deseño de perfís de apertura (por exemplo, de barril, de ensanchado, de converxencia, de diverxencia) que poden promover a atomización ou a penetración na cámara de combustión. O tempo de perforación depende do volume de ablación, cun grosor de broca de 0,2 a 0,5 mm e un diámetro do orificio de 0,12 a 0,25 mm, o que fai que esta técnica sexa dez veces máis rápida que a microelectroerosión. A microperforación realízase en tres etapas, incluíndo o desbaste e o acabado dos orificios piloto pasantes. O argón úsase como gas auxiliar para protexer o orificio da oxidación e para protexer o plasma final durante as etapas iniciais.
Figura 7. Procesamento de alta precisión con láser de femtosegundos dun orificio cónico invertido para un inxector de motor diésel
08 Texturizado láser ultrarrápido
Nos últimos anos, co fin de mellorar a precisión do mecanizado, reducir os danos nos materiais e aumentar a eficiencia do procesamento, o campo do micromecanizado converteuse gradualmente nun foco de atención dos investigadores. O láser ultrarrápido ten varias vantaxes de procesamento, como o baixo dano e a alta precisión, o que se converteu no foco de promoción do desenvolvemento da tecnoloxía de procesamento. Ao mesmo tempo, os láseres ultrarrápidos poden actuar sobre unha variedade de materiais, e os danos nos materiais no procesamento por láser tamén son unha importante dirección de investigación. O láser ultrarrápido úsase para ablacionar materiais. Cando a densidade de enerxía do láser é superior ao limiar de ablación do material, a superficie do material ablacionado mostrará unha micro-nanoestrutura con certas características. A investigación demostra que esta estrutura superficial especial é un fenómeno común que ocorre cando se procesan materiais con láser. A preparación de micro-nanoestruturas superficiais pode mellorar as propiedades do propio material e tamén permitir o desenvolvemento de novos materiais. Isto fai que a preparación de micro-nanoestruturas superficiais mediante láser ultrarrápido sexa un método técnico con importante importancia para o desenvolvemento. Actualmente, para os materiais metálicos, a investigación sobre a texturización superficial con láser ultrarrápida pode mellorar as propiedades de mollabilidade da superficie metálica, mellorar as propiedades de fricción e desgaste da superficie, potenciar a adhesión dos revestimentos e a proliferación e adhesión direccional das células.
Figura 8. Propiedades superhidrófobas da superficie de silicio preparada con láser
Como tecnoloxía de procesamento de vangarda, o procesamento láser ultrarrápido ten as características dunha pequena zona afectada pola calor, un proceso non lineal de interacción cos materiais e un procesamento de alta resolución máis alá do límite de difracción. Pode realizar un procesamento micro-nano de alta calidade e alta precisión de diversos materiais e a fabricación de micro-nanoestruturas tridimensionais. Lograr a fabricación láser de materiais especiais, estruturas complexas e dispositivos especiais abre novas vías para a micro-nanofabricación. Na actualidade, o láser de femtosegundos utilizouse amplamente en moitos campos científicos de vangarda: o láser de femtosegundos pódese usar para preparar diversos dispositivos ópticos, como matrices de microlentes, ollos compostos biónicos, guías de onda ópticas e metasuperficies; usando a súa alta precisión, alta resolución e capacidades de procesamento tridimensionais, o láser de femtosegundos pode preparar ou integrar chips microfluídicos e optofluídicos como compoñentes de microcalentadores e canles microfluídicas tridimensionais; Ademais, o láser de femtosegundos tamén pode preparar diferentes tipos de micronanoestruturas superficiais para lograr funcións antirreflexo, antirreflexo, superhidrófobas, antixeo e outras; non só iso, o láser de femtosegundos tamén se aplicou no campo da biomedicina, mostrando un rendemento excepcional en campos como microstents biolóxicos, substratos de cultivo celular e imaxes microscópicas biolóxicas. Amplas perspectivas de aplicación. Na actualidade, os campos de aplicación do procesamento con láser de femtosegundos están a expandirse ano tras ano. Ademais das aplicacións de microóptica, microfluídica, micronanoestruturas multifuncionais e enxeñaría biomédica mencionadas anteriormente, tamén desempeña un papel enorme nalgúns campos emerxentes, como a preparación de metasuperficies, a fabricación de micronanoestruturas e o almacenamento de información óptica multidimensional, etc.
Data de publicación: 17 de abril de 2024
