Ultra çalt lazerler onlarça ýyl bäri bar bolsa-da, soňky iki onýyllykda senagat ulanylyşy çalt ösdi. 2019-njy ýylda ultra çalt lazerleriň bazar bahasylazer materialygaýtadan işlemek takmynan 460 million ABŞ dollaryna deň boldy, ýyllyk ösüş depgini 13% boldy. Senagat materiallaryny gaýtadan işlemek üçin ultra çalt lazerleriň üstünlikli ulanylan ulanylyş ugurlaryna ýarymgeçiriji senagatynda fotomaska öndürmek we abatlamak, şeýle hem kremniý böleklerini bölmek, aýnany kesmek/ýazmak we (indiý galaýy oksidi) mobil telefonlar we planşetler ýaly sarp ediji elektronikasynda ITO plýonkasyny aýyrmak, awtoulag senagaty üçin porşen teksturasyny döretmek, koronar stent önümçiligi we lukmançylyk senagaty üçin mikrofluidik enjam önümçiligi girýär.
01 Ýarymgeçirijiler senagatynda fotomaska öndürmek we abatlamak
Ultra çalt lazerler materiallary gaýtadan işlemekde ilkinji senagat ulanylyşlarynyň birinde ulanyldy. IBM 1990-njy ýyllarda fotomaska önümçiliginde femtosekund lazer ablýasiýasynyň ulanylyşyny habar berdi. Metal çaýkamasyny we aýnanyň zeperlenmegini döredip bilýän nanosekund lazer ablýasiýasy bilen deňeşdirilende, femtosekund lazer maskalary metal çaýkamasyny, aýnanyň zeperlenmegini we ş.m. görkezmeýär. Artykmaçlyklary. Bu usul integral mikroshemalary (IC) öndürmek üçin ulanylýar. IC çipini öndürmek üçin 30-a çenli maska gerek bolup biler we bahasy 100,000 dollardan ýokary bolup biler. Femtosekund lazer işläp çykarmak 150 nm-den aşak çyzyklary we nokatlary işläp bilýär.
Surat 1. Fotomaskanyň öndürilişi we abatlaýyş işleri
Surat 2. Ekstremal ultramelewşe litografiýasy üçin dürli maska nusgalarynyň optimizasiýa netijeleri
02 Ýarymgeçirijiler senagatynda kremniý kesmek
Kremniý waflisini dogramak ýarymgeçiriji senagatynda standart önümçilik prosesi bolup, adatça mehaniki dogramak arkaly ýerine ýetirilýär. Bu kesiji tigirler köplenç mikroýaryklary emele getirýär we inçe (meselem, galyňlygy < 150 μm) waflilerini kesmek kyn bolýar. Kremniý waflilerini lazer bilen kesmek ýarymgeçiriji senagatynda köp ýyllaryň dowamynda, esasanam inçe wafliler (100-200 μm) üçin ulanylýar we birnäçe ädimde amala aşyrylýar: lazer oýuklary, soňra mehaniki bölmek ýa-da gizlin kesmek (ýagny kremniýiň içine infragyzyl lazer şöhlesi çekmek) we soňra mehaniki lenta bölmek. Nanosekund impulsly lazer sagatda 15 wafli, pikosekundly lazer bolsa sagatda 23 waflini has ýokary hilli işläp bilýär.
03 Sarp edilýän elektronika senagatynda aýna kesmek/ýazmak
Mobil telefonlar we noutbuklar üçin sensor ekranlar we gorag äýnekler inçelýär we käbir geometrik şekiller egri bolýar. Bu bolsa däp bolan mehaniki kesmegi has kynlaşdyrýar. Adaty lazerler, esasanam, bu aýna displeýler 3-4 gatlakly ýerleşdirilende we ýokarky 700 μm galyňlykdaky gorag äýnegi berkleşdirilende, bu bolsa ýerli stres bilen döwülip biler, bu bolsa pes kesiş hilini döredýär. Ultra çalt lazerleriň bu äýnekleri has gowy gyra berkligi bilen kesip biljekdigi görkezildi. Uly tekiz panel kesmek üçin femtosekund lazeri aýna listiniň arka ýüzüne gönükdirilip, aýnanyň içini öň ýüzüne zeper ýetirmezden dyrnaklap bolýar. Soňra aýna kesilen nagyş boýunça mehaniki ýa-da termal serişdeler arkaly döwülip bilner.
3-nji surat. Pikosekundly ultra çalt lazer aýnasynyň ýörite görnüşli kesilişi
04 Awtomobil senagatynda porşen teksturalary
Ýeňil awtoulag hereketlendirijileri alýumin erginlerinden ýasalýar, olar çoýun ýaly aşynma garşylykly däl. Barlaglar awtoulag porşen teksturalarynyň femtosekund lazer bilen işlenilmeginiň sürtülmäni 25% -e çenli azaldyp biljekdigini, sebäbi galyndylary we ýagy netijeli saklap bolýandygyny görkezdi.
4-nji surat. Dwigateliň işini gowulandyrmak üçin awtoulag hereketlendirijisiniň porşenlerini femtosekund lazer bilen işläp çykarmak
05 Lukmançylyk senagatynda koronar stent öndürmek
Her ýyl millionlarça adamyň janyny halas etmek üçin bedeniň koronar arteriýalaryna millionlarça koronar stent ýerleşdirilýär. Koronar stentler, adatça, takmynan 100 μm direk giňligi bolan metaldan (meselem, poslamaýan polat, nikel-titan görnüşli ýatda saklaýjy garyndy ýa-da soňky döwürde kobalt-hrom garyndysy) sim torundan ýasalýar. Uzyn impulsly lazer kesmek bilen deňeşdirilende, breketleri kesmek üçin ultra çalt lazerleri ulanmagyň artykmaçlyklary ýokary kesiş hili, has gowy ýüzleý örtük we az galyndylary öz içine alýar, bu bolsa gaýtadan işlemeden soňky çykdajylary azaldýar.
06 Lukmançylyk senagaty üçin mikrofluidik enjamlaryň önümçiligi
Mikrofluid enjamlary lukmançylyk senagatynda keselleri barlamak we anyklamak üçin giňden ulanylýar. Olar, adatça, aýry-aýry bölekleri mikroinýeksiýa arkaly galyplamak we soňra ýelmeşdirmek ýa-da kebşirlemek arkaly ýelmeşdirmek arkaly öndürilýär. Mikrofluid enjamlarynyň ultra çalt lazer bilen öndürilmegi, aýna ýaly açyk materiallaryň içinde birikdirmäge zerurlygy bolmazdan 3D mikrokanallary öndürmek artykmaçlygyna eýedir. Bir usul, köp mukdarda aýnanyň içinde ultra çalt lazer bilen öndürmek, soňra çygly himiki aşındyrmak, beýleki usul bolsa, galyndylary aýyrmak üçin aýnanyň ýa-da plastmassanyň içinde distillenen suwda femtosekund lazer ablýasiýasydyr. Başga bir usul, kanallary aýnanyň ýüzüne işläp, femtosekund lazer kebşirlemek arkaly aýna örtügi bilen ýapmakdyr.
6-njy surat. Aýna materiallaryň içinde mikrofluidik kanallary taýýarlamak üçin femtosekund lazer bilen induksiýa edilen selektiw aşındyrma
07 Inžektoryň nasadkasynyň mikro deşilmegi
Femtosekund lazer mikrodeşikleri işläp taýýarlamak, akym deşikleriniň profillerini üýtgetmekde has köp çeýelik we işläp bejeriş wagtlarynyň gysgalmagy sebäpli ýokary basyşly injektor bazaryndaky köp kompaniýalarda mikro-EDM-iň ornuny tutdy. Öňünden işleýän skanirleýji kelle arkaly şöhle fokus ýagdaýyny we egilişini awtomatiki dolandyrmak ukyby, ýanma kamerasynda atomizasiýany ýa-da aralaşmagy höweslendirip bilýän apertura profilleriniň (meselem, barrel, alawlama, konwergensiýa, diwergensiýa) dizaýn edilmegine getirdi. Burawlama wagty ablýasiýa möçberine baglydyr, burawlamanyň galyňlygy 0,2 – 0,5 mm we deşigiň diametri 0,12 – 0,25 mm, bu bolsa bu usuly mikro-EDM-den on esse çalt edýär. Mikroburawlama üç tapgyrda, şol sanda pilot deşiklerini gödek we gutarmak bilen amala aşyrylýar. Argon guýulary oksidlenmeden goramak we başlangyç tapgyrlarda soňky plazmany goramak üçin kömekçi gaz hökmünde ulanylýar.
7-nji surat. Dizel hereketlendiriji injektory üçin ters konusly deşigiň femtosekund lazer bilen ýokary takyklykly işlenilmegi
08 Ultra çalt lazer teksturasy
Soňky ýyllarda, işleme takyklygyny ýokarlandyrmak, material zyýanyny azaltmak we işleme netijeliligini ýokarlandyrmak maksady bilen, mikromehanizasiýa ugry kem-kemden ylmy işgärleriň üns merkezinde boldy. Ultra çalt lazeriň dürli işleme artykmaçlyklary bar, mysal üçin, pes zyýan we ýokary takyklyk, bu bolsa işleme tehnologiýasynyň ösüşini höweslendirmegiň merkezine öwrüldi. Şol bir wagtyň özünde, ultra çalt lazerler dürli materiallara täsir edip bilýär we lazer bilen material zyýanyny gaýtadan işlemek hem esasy ylmy ugur bolup durýar. Ultra çalt lazer materiallary ablýasiýa etmek üçin ulanylýar. Lazeriň energiýa dykyzlygy materialyň ablýasiýa bosagasyndan ýokary bolanda, ablýasiýa edilen materialyň ýüzü belli bir häsiýetlere eýe bolan mikro-nano gurluşyny görkezer. Barlaglar görkezýär, bu ýörite ýüz gurluşy materiallary lazer bilen işlenýän wagty ýüze çykýan umumy hadysadyr. Ýüz mikro-nano gurluşlaryny taýýarlamak materialyň öz häsiýetlerini gowulandyryp, täze materiallaryň işlenip düzülmegine mümkinçilik döredip biler. Bu bolsa, ultra çalt lazer bilen ýüz mikro-nano gurluşlaryny taýýarlamagy möhüm ösüş ähmiýeti bolan tehniki usula öwürýär. Häzirki wagtda metal materiallary üçin ultra çalt lazer ýüzüniň teksturasyny öwrenmek boýunça barlaglar metal ýüzüniň çyglylygyny gowulandyryp, ýüziň sürtülmegini we aşynma häsiýetlerini gowulandyryp, örtügiň ýelmeşmegini, şeýle hem öýjükleriň ugur boýunça köpelmegini we ýelmeşmegini güýçlendirip biler.
8-nji surat. Lazer bilen taýýarlanan kremniý ýüzüniň superhidrofob häsiýetleri
Öňdebaryjy gaýtadan işlemek tehnologiýasy hökmünde, ultra çalt lazer işläp bejermek kiçi ýylylyk täsir edýän zona, materiallar bilen özara täsirleşme prosesiniň çyzykly däl prosesi we difraksiýa çäginden daşary ýokary çözgütli işläp bejermek aýratynlyklaryna eýedir. Ol dürli materiallaryň ýokary hilli we ýokary takyklykly mikro-nano işläp bejermegini we üç ölçegli mikro-nano gurluş öndürmegini amala aşyryp biler. Ýörite materiallaryň, çylşyrymly gurluşlaryň we ýörite enjamlaryň lazer önümçiligini gazanmak mikro-nano önümçiligi üçin täze ýollary açýar. Häzirki wagtda femtosekund lazer köp öňdebaryjy ylmy ugurlarda giňden ulanylýar: femtosekund lazer mikrolinza massiwleri, bionik birleşme gözleri, optiki tolkun geçirijileri we metaýüzler ýaly dürli optik enjamlary taýýarlamak üçin ulanylyp bilner; ýokary takyklygy, ýokary çözgütliligi we üç ölçegli gaýtadan işlemek mümkinçilikleri bilen femtosekund lazer mikrogyzdyryjy komponentleri we üç ölçegli mikrofluidik kanallar ýaly mikrofluidik we optofluidik çipleri taýýarlap ýa-da birleşdirip biler; Mundan başga-da, femtosekund lazeri dürli görnüşli ýüz mikro-nanostrukturalaryny taýýarlap, şöhlelenmä garşy, super-hidrofobik, buzlanma garşy we beýleki funksiýalary ýerine ýetirip bilýär; diňe bir munuň bilen çäklenmän, femtosekund lazeri biolukmançylyk ulgamynda hem ulanylyp, biologik mikro-stentler, öýjük medeniýeti substratlary we biologiki mikroskopiki suratlandyrma ýaly ugurlarda ajaýyp netijeleri görkezýär. Giň ulanylyş mümkinçilikleri. Häzirki wagtda femtosekund lazerini gaýtadan işlemegiň ulanylyş ugurlary ýyl-ýyldan giňelýär. Ýokarda agzalan mikro-optika, mikrofluidika, köp funksiýaly mikro-nanostrukturalar we biolukmançylyk inženerçilik ulanylyşlaryndan başga-da, ol metaýüzleýi taýýarlamak, mikro-nano önümçiligi we köp ölçegli optiki maglumat saklamak ýaly käbir täze ugurlarda hem uly rol oýnaýar.
Ýerleşdirilen wagty: 2024-nji ýylyň 17-nji apreli
