Er bod laserau uwchgyflym wedi bod o gwmpas ers degawdau, mae cymwysiadau diwydiannol wedi tyfu'n gyflym yn ystod y ddau ddegawd diwethaf. Yn 2019, gwerth marchnad laserau uwchgyflymdeunydd laserRoedd y prosesu tua US$460 miliwn, gyda chyfradd twf blynyddol gyfansawdd o 13%. Mae meysydd cymhwysiad lle mae laserau cyflym iawn wedi cael eu defnyddio'n llwyddiannus i brosesu deunyddiau diwydiannol yn cynnwys cynhyrchu ac atgyweirio ffotofasgiau yn y diwydiant lled-ddargludyddion yn ogystal â disio silicon, torri/sgriwio gwydr a chael gwared ar ffilm ITO (indium tun ocsid) mewn electroneg defnyddwyr fel ffonau symudol a thabledi, gweadu pistonau ar gyfer y diwydiant modurol, gweithgynhyrchu stentiau coronaidd a gweithgynhyrchu dyfeisiau microfluidig ar gyfer y diwydiant meddygol.
01 Gweithgynhyrchu ac atgyweirio ffotomasgiau yn y diwydiant lled-ddargludyddion
Defnyddiwyd laserau uwchgyflym yn un o'r cymwysiadau diwydiannol cynharaf mewn prosesu deunyddiau. Adroddodd IBM am gymhwyso abladiad laser femtosecond mewn cynhyrchu ffotofasgiau yn y 1990au. O'i gymharu ag abladiad laser nanoeiliad, a all gynhyrchu sblasio metel a difrod i wydr, nid yw masgiau laser femtosecond yn dangos unrhyw sblasio metel, dim difrod i wydr, ac ati. Y manteision. Defnyddir y dull hwn i gynhyrchu cylchedau integredig (ICs). Gall cynhyrchu sglodion IC olygu bod angen hyd at 30 o fasgiau a chostio >$100,000. Gall prosesu laser femtosecond brosesu llinellau a phwyntiau islaw 150nm.
Ffigur 1. Gweithgynhyrchu ac atgyweirio ffotomasg
Ffigur 2. Canlyniadau optimeiddio gwahanol batrymau masg ar gyfer lithograffeg uwchfioled eithafol
02 Torri silicon yn y diwydiant lled-ddargludyddion
Mae disio wafer silicon yn broses weithgynhyrchu safonol yn y diwydiant lled-ddargludyddion ac fel arfer caiff ei berfformio gan ddefnyddio disio mecanyddol. Yn aml, mae'r olwynion torri hyn yn datblygu micrograciau ac maent yn anodd eu torri waferi tenau (e.e. trwch < 150 μm). Defnyddiwyd torri waferi silicon â laser yn y diwydiant lled-ddargludyddion ers blynyddoedd lawer, yn enwedig ar gyfer waferi tenau (100-200μm), ac fe'i cynhelir mewn sawl cam: rhigolio laser, ac yna gwahanu mecanyddol neu dorri cudd (h.y. trawst laser is-goch y tu mewn i'r ysgrifell silicon) ac yna gwahanu tâp mecanyddol. Gall y laser pwls nanoeiliad brosesu 15 wafer yr awr, a gall y laser picosecond brosesu 23 wafer yr awr, gydag ansawdd uwch.
03 Torri/ysgrifennu gwydr yn y diwydiant electroneg traul
Mae sgriniau cyffwrdd a sbectol amddiffynnol ar gyfer ffonau symudol a gliniaduron yn mynd yn deneuach ac mae rhai siapiau geometrig yn grwm. Mae hyn yn gwneud torri mecanyddol traddodiadol yn anoddach. Mae laserau nodweddiadol fel arfer yn cynhyrchu ansawdd torri gwael, yn enwedig pan fydd yr arddangosfeydd gwydr hyn wedi'u pentyrru 3-4 haen a bod y gwydr amddiffynnol 700 μm o drwch uchaf wedi'i dymheru, a all dorri gyda straen lleol. Dangoswyd bod laserau cyflym iawn yn gallu torri'r gwydrau hyn gyda chryfder ymyl gwell. Ar gyfer torri paneli gwastad mawr, gellir canolbwyntio'r laser femtosecond ar wyneb cefn y ddalen wydr, gan grafu tu mewn i'r gwydr heb niweidio'r wyneb blaen. Yna gellir torri'r gwydr gan ddefnyddio dulliau mecanyddol neu thermol ar hyd y patrwm wedi'i sgorio.
Ffigur 3. Torri gwydr siâp arbennig â laser uwchgyflym picoseicond
04 Gweadau piston yn y diwydiant modurol
Mae peiriannau ceir ysgafn wedi'u gwneud o aloion alwminiwm, nad ydynt mor wrthsefyll traul â haearn bwrw. Mae astudiaethau wedi canfod y gall prosesu laser femtosecond o weadau piston ceir leihau ffrithiant hyd at 25% oherwydd gellir storio malurion ac olew yn effeithiol.
Ffigur 4. Prosesu laser femtosecond o pistonau injan ceir i wella perfformiad yr injan
05 Gweithgynhyrchu stentiau coronaidd yn y diwydiant meddygol
Mae miliynau o stentiau coronaidd yn cael eu mewnblannu i rydwelïau coronaidd y corff i agor sianel i waed lifo i bibellau gwaed sydd fel arall wedi'u ceulo, gan achub miliynau o fywydau bob blwyddyn. Fel arfer, mae stentiau coronaidd yn cael eu gwneud o rwyll wifren fetel (e.e., dur di-staen, aloi cof siâp nicel-titaniwm, neu'n fwy diweddar aloi cobalt-cromiwm) gyda lled strut o tua 100 μm. O'i gymharu â thorri laser pwls hir, manteision defnyddio laserau cyflym iawn i dorri cromfachau yw ansawdd torri uchel, gorffeniad arwyneb gwell, a llai o falurion, sy'n lleihau costau ôl-brosesu.
06 Gweithgynhyrchu dyfeisiau microfluidig ar gyfer y diwydiant meddygol
Defnyddir dyfeisiau microfluidig yn gyffredin yn y diwydiant meddygol ar gyfer profi a diagnosio clefydau. Fel arfer, cânt eu cynhyrchu trwy fowldio micro-chwistrellu rhannau unigol ac yna eu bondio gan ddefnyddio gludo neu weldio. Mae gan weithgynhyrchu laser cyflym iawn o ddyfeisiau microfluidig y fantais o gynhyrchu microsianeli 3D o fewn deunyddiau tryloyw fel gwydr heb yr angen am gysylltiadau. Un dull yw weithgynhyrchu laser cyflym iawn y tu mewn i wydr swmp ac yna ysgythru cemegol gwlyb, ac un arall yw abladiad laser femtosecond y tu mewn i wydr neu blastig mewn dŵr distyll i gael gwared ar falurion. Dull arall yw peiriannu sianeli i mewn i'r wyneb gwydr a'u selio â gorchudd gwydr trwy weldio laser femtosecond.
Ffigur 6. Ysgythru dethol a achosir gan laser femtosecond i baratoi sianeli microfluidig y tu mewn i ddeunyddiau gwydr
07 Drilio micro o ffroenell chwistrellwr
Mae peiriannu microdyllau laser femtosecond wedi disodli micro-EDM mewn llawer o gwmnïau yn y farchnad chwistrellwyr pwysedd uchel oherwydd mwy o hyblygrwydd wrth newid proffiliau tyllau llif ac amseroedd peiriannu byrrach. Mae'r gallu i reoli safle ffocws a gogwydd y trawst yn awtomatig trwy ben sgan rhagflaenu wedi arwain at ddylunio proffiliau agorfa (e.e., casgen, fflêr, cydgyfeirio, gwyriad) a all hyrwyddo atomization neu dreiddiad yn y siambr hylosgi. Mae amser drilio yn dibynnu ar gyfaint yr abladiad, gyda thrwch drilio o 0.2 - 0.5 mm a diamedr twll o 0.12 - 0.25 mm, gan wneud y dechneg hon ddeg gwaith yn gyflymach na micro-EDM. Perfformir microdrilio mewn tair cam, gan gynnwys garwhau a gorffen tyllau peilot drwodd. Defnyddir argon fel nwy ategol i amddiffyn y twll turio rhag ocsideiddio ac i gysgodi'r plasma terfynol yn ystod y camau cychwynnol.
Ffigur 7. Prosesu manwl gywirdeb uchel laser femtosecond o dwll tapr gwrthdro ar gyfer chwistrellwr injan diesel
08 Gweadu laser cyflym iawn
Yn ystod y blynyddoedd diwethaf, er mwyn gwella cywirdeb peiriannu, lleihau difrod i ddeunyddiau, a chynyddu effeithlonrwydd prosesu, mae maes microbeiriannu wedi dod yn ffocws ymchwilwyr yn raddol. Mae gan laser cyflym iawn amrywiol fanteision prosesu megis difrod isel a chywirdeb uchel, sydd wedi dod yn ffocws hyrwyddo datblygiad technoleg brosesu. Ar yr un pryd, gall laserau cyflym iawn weithredu ar amrywiaeth o ddeunyddiau, ac mae difrod i ddeunyddiau prosesu laser hefyd yn gyfeiriad ymchwil pwysig. Defnyddir laser cyflym iawn i abladu deunyddiau. Pan fydd dwysedd ynni'r laser yn uwch na throthwy abladiad y deunydd, bydd wyneb y deunydd a abladwyd yn dangos strwythur micro-nano gyda nodweddion penodol. Mae ymchwil yn dangos bod y Strwythur wyneb arbennig hwn yn ffenomen gyffredin sy'n digwydd wrth brosesu deunyddiau â laser. Gall paratoi strwythurau micro-nano wyneb wella priodweddau'r deunydd ei hun a hefyd alluogi datblygu deunyddiau newydd. Mae hyn yn gwneud paratoi strwythurau micro-nano wyneb gan ddefnyddio laser cyflym iawn yn ddull technegol sydd ag arwyddocâd datblygu pwysig. Ar hyn o bryd, ar gyfer deunyddiau metel, gall ymchwil ar weadu arwyneb laser cyflym iawn wella priodweddau gwlychu arwyneb metel, gwella ffrithiant arwyneb a phriodweddau gwisgo, gwella adlyniad cotio, ac amlhau a glynu cyfeiriadol celloedd.
Ffigur 8. Priodweddau uwch-hydroffobig arwyneb silicon wedi'i baratoi â laser
Fel technoleg brosesu arloesol, mae gan brosesu laser cyflym iawn nodweddion parth bach yr effeithir arno gan wres, proses ryngweithio anlinellol â deunyddiau, a phrosesu cydraniad uchel y tu hwnt i'r terfyn diffractiad. Gall wireddu prosesu micro-nano o ansawdd uchel a chywirdeb uchel o wahanol ddefnyddiau. a gweithgynhyrchu strwythur micro-nano tri dimensiwn. Mae cyflawni gweithgynhyrchu laser o ddeunyddiau arbennig, strwythurau cymhleth a dyfeisiau arbennig yn agor llwybrau newydd ar gyfer gweithgynhyrchu micro-nano. Ar hyn o bryd, mae laser femtosecond wedi'i ddefnyddio'n helaeth mewn llawer o feysydd gwyddonol arloesol: gellir defnyddio laser femtosecond i baratoi amrywiol ddyfeisiau optegol, megis araeau microlens, llygaid cyfansawdd bionig, tywyswyr tonnau optegol a meta-arwynebau; gan ddefnyddio ei gywirdeb uchel, cydraniad uchel a chyda galluoedd prosesu tri dimensiwn, gall laser femtosecond baratoi neu integreiddio sglodion microfluidig ac optofluidig megis cydrannau microheater a sianeli microfluidig tri dimensiwn; yn ogystal, gall laser femtosecond hefyd baratoi gwahanol fathau o ficro-nanostrwythurau arwyneb i gyflawni gwrth-fyfyrio, gwrth-fyfyrio, uwch-hydroffobig, gwrth-rewi a swyddogaethau eraill; nid yn unig hynny, mae laser femtosecond hefyd wedi'i gymhwyso ym maes biofeddygaeth, gan ddangos perfformiad rhagorol mewn meysydd fel micro-stentiau biolegol, swbstradau diwylliant celloedd a delweddu microsgopig biolegol. Rhagolygon cymhwysiad eang. Ar hyn o bryd, mae meysydd cymhwysiad prosesu laser femtosecond yn ehangu o flwyddyn i flwyddyn. Yn ogystal â'r micro-opteg, microfluideg, micro-nanostrwythurau amlswyddogaethol a chymwysiadau peirianneg fiofeddygol a grybwyllwyd uchod, mae hefyd yn chwarae rhan enfawr mewn rhai meysydd sy'n dod i'r amlwg, megis paratoi metaswynebau, gweithgynhyrchu micro-nano a storio gwybodaeth optegol amlddimensiwn, ac ati.
Amser postio: 17 Ebrill 2024
