Գերարագ լազերային միկրո-նանո արտադրական-արդյունաբերական կիրառություններ

Չնայած գերարագ լազերները գոյություն ունեն տասնամյակներ շարունակ, արդյունաբերական կիրառությունները արագորեն աճել են վերջին երկու տասնամյակների ընթացքում: 2019 թվականին գերարագ լազերների շուկայական արժեքըլազերային նյութՄշակման ծավալը կազմել է մոտավորապես 460 միլիոն ԱՄՆ դոլար՝ տարեկան 13% բարդ աճի տեմպով: Կիրառման ոլորտները, որտեղ գերարագ լազերները հաջողությամբ օգտագործվել են արդյունաբերական նյութեր մշակելու համար, ներառում են կիսահաղորդչային արդյունաբերության մեջ լուսադիմակների պատրաստումը և նորոգումը, ինչպես նաև սիլիցիումի կտրումը, ապակու կտրումը/գրությունը և (ինդիումի անագի օքսիդ) ITO թաղանթի հեռացումը սպառողական էլեկտրոնիկայի, ինչպիսիք են բջջային հեռախոսները և պլանշետները, մխոցների տեքստուրավորումը ավտոմոբիլային արդյունաբերության համար, կորոնար ստենտների արտադրությունը և բժշկական արդյունաբերության համար միկրոհոսքային սարքերի արտադրությունը:

01 Լուսադիմակների արտադրություն և նորոգում կիսահաղորդչային արդյունաբերության մեջ

Գերարագ լազերները օգտագործվել են նյութերի մշակման ամենավաղ արդյունաբերական կիրառություններից մեկում: IBM-ը հայտնել է ֆեմտովայրկյանային լազերային աբլացիայի կիրառման մասին ֆոտոդիմակների արտադրության մեջ 1990-ականներին: Նանովայրկյանային լազերային աբլացիայի համեմատ, որը կարող է առաջացնել մետաղի ցայտք և ապակու վնասում, ֆեմտովայրկյանային լազերային դիմակները չեն ցուցաբերում մետաղի ցայտք, ապակու վնասում և այլն: Առավելությունները. Այս մեթոդը օգտագործվում է ինտեգրալ սխեմաներ (IC) արտադրելու համար: IC չիպի արտադրության համար կարող է պահանջվել մինչև 30 դիմակ և արժենալ >100,000 դոլար: Ֆեմտովայրկյանային լազերային մշակումը կարող է մշակել 150 նմ-ից ցածր գծեր և կետեր:

Նկար 1. Լուսադիմակի պատրաստում և նորոգում

Նկար 2. Տարբեր դիմակների նախշերի օպտիմալացման արդյունքներ ծայրահեղ ուլտրամանուշակագույն լիտոգրաֆիայի համար

02 Սիլիցիումի կտրում կիսահաղորդչային արդյունաբերության մեջ

Սիլիկոնային վաֆլիների կտրատումը կիսահաղորդչային արդյունաբերության ստանդարտ արտադրական գործընթաց է և սովորաբար իրականացվում է մեխանիկական կտրատման միջոցով: Այս կտրող անիվները հաճախ առաջացնում են միկրոճաքեր և դժվար է կտրել բարակ (օրինակ՝ < 150 մկմ հաստությամբ) վաֆլիները: Սիլիկոնային վաֆլիների լազերային կտրումը կիսահաղորդչային արդյունաբերության մեջ օգտագործվել է տարիներ շարունակ, հատկապես բարակ վաֆլիների (100-200 մկմ) համար, և իրականացվում է մի քանի քայլով՝ լազերային ակոսավորում, որին հաջորդում է մեխանիկական բաժանումը կամ գաղտագողի կտրումը (այսինքն՝ ինֆրակարմիր լազերային ճառագայթը սիլիկոնային փորագրության ներսում), որին հաջորդում է մեխանիկական ժապավենային բաժանումը: Նանովայրկյանային իմպուլսային լազերը կարող է մշակել ժամում 15 վաֆլի, իսկ պիկովայրկյանային լազերը՝ ժամում 23 վաֆլի՝ ավելի բարձր որակով:

03 Ապակու կտրում/գրագրություն սպառվող էլեկտրոնիկայի արդյունաբերության մեջ

Բջջային հեռախոսների և նոութբուքերի սենսորային էկրաններն ու պաշտպանիչ ակնոցները դառնում են ավելի բարակ, իսկ որոշ երկրաչափական ձևեր՝ կորացած։ Սա դժվարացնում է ավանդական մեխանիկական կտրումը։ Սովորական լազերները սովորաբար ցածր կտրվածքի որակ են ապահովում, հատկապես, երբ այս ապակե էկրանները դասավորված են 3-4 շերտով, և վերին 700 մկմ հաստությամբ պաշտպանիչ ապակին կոփված է, որը կարող է կոտրվել տեղայնացված լարվածության պատճառով։ Ապացուցված է, որ գերարագ լազերները կարող են կտրել այս ապակիները ավելի լավ եզրային ամրությամբ։ Մեծ հարթ վահանակների կտրման համար ֆեմտովայրկյանային լազերը կարող է կենտրոնանալ ապակե թերթի հետևի մակերեսի վրա՝ քերծելով ապակու ներսը՝ առանց առջևի մակերեսը վնասելու։ Այնուհետև ապակին կարող է կոտրվել մեխանիկական կամ ջերմային միջոցներով՝ կտրված նախշի երկայնքով։

Նկար 3. Պիկովարկյանային գերարագ լազերային ապակու հատուկ ձևի կտրում

04 Մխոցային հյուսվածքներ ավտոմոբիլային արդյունաբերության մեջ

Թեթև մեքենաների շարժիչները պատրաստված են ալյումինե համաձուլվածքներից, որոնք այնքան մաշվածության նկատմամբ դիմացկուն չեն, որքան թուջը: Ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ մեքենաների մխոցների հյուսվածքների ֆեմտովայրկյանային լազերային մշակումը կարող է մինչև 25%-ով նվազեցնել շփումը, քանի որ աղբը և յուղը կարող են արդյունավետորեն պահպանվել:

Նկար 4. Ավտոմոբիլային շարժիչի մխոցների ֆեմտովայրկյանային լազերային մշակում՝ շարժիչի աշխատանքը բարելավելու համար

05 Կորոնարային ստենտների արտադրություն բժշկական ոլորտում

Միլիոնավոր կորոնար ստենտներ են տեղադրվում մարմնի կորոնար զարկերակներում՝ արյան հոսքի համար ալիք բացելու համար դեպի այլապես մակարդված անոթներ, ամեն տարի փրկելով միլիոնավոր կյանքեր: Կորոնար ստենտները սովորաբար պատրաստվում են մետաղական (օրինակ՝ չժանգոտվող պողպատ, նիկել-տիտանի ձևի հիշողության համաձուլվածք կամ ավելի վերջերս՝ կոբալտ-քրոմի համաձուլվածք) մետաղական ցանցից, որի հենարանի լայնությունը մոտավորապես 100 մկմ է: Երկար իմպուլսային լազերային կտրման համեմատ, բրեկետներ կտրելու համար գերարագ լազերներ օգտագործելու առավելություններն են կտրման բարձր որակը, ավելի լավ մակերեսային մշակումը և ավելի քիչ բեկորները, ինչը նվազեցնում է հետմշակման ծախսերը:

06 Բժշկական արդյունաբերության համար միկրոհոսքային սարքերի արտադրություն

Միկրոհոսքային սարքերը լայնորեն օգտագործվում են բժշկական արդյունաբերության մեջ հիվանդությունների ստուգման և ախտորոշման համար: Դրանք սովորաբար արտադրվում են առանձին մասերի միկրոներարկման ձուլման, ապա սոսնձման կամ եռակցման միջոցով միացման միջոցով: Միկրոհոսքային սարքերի գերարագ լազերային արտադրությունն ունի այն առավելությունը, որ թափանցիկ նյութերի, ինչպիսին է ապակին, ներսում ստեղծում է եռաչափ միկրոալիքներ՝ առանց միացումների անհրաժեշտության: Մեկ մեթոդը գերարագ լազերային արտադրությունն է զանգվածային ապակու ներսում, որին հաջորդում է խոնավ քիմիական փորագրությունը, իսկ մյուսը՝ ֆեմտովայրկյանային լազերային աբլյացիան ապակու կամ պլաստիկի ներսում թորած ջրի մեջ՝ մնացորդները հեռացնելու համար: Մեկ այլ մոտեցում է ապակե մակերեսի մեջ ալիքների մեքենայական մշակումը և դրանք ապակե ծածկով կնքումը՝ ֆեմտովայրկյանային լազերային եռակցման միջոցով:

Նկար 6. Ֆեմտովայրկյանային լազերային ընտրողական փորագրում՝ ապակե նյութերի ներսում միկրոհոսքային ալիքներ պատրաստելու համար

07 Ներարկիչի ծայրակալի միկրոհորատում

Ֆեմտովայրկյանային լազերային միկրոանցքերի մշակումը բարձր ճնշման ներարկիչների շուկայում շատ ընկերությունների մոտ փոխարինել է միկրո-EDM-ին՝ հոսքի անցքերի պրոֆիլները փոխելու ավելի մեծ ճկունության և մշակման ավելի կարճ ժամանակի շնորհիվ: Ֆոկուսային դիրքը և ճառագայթի թեքությունը պրեսեսինգային սկանավորող գլխիկի միջոցով ավտոմատ կերպով կառավարելու հնարավորությունը հանգեցրել է ապերտուրային պրոֆիլների նախագծմանը (օրինակ՝ գլան, լայնացում, կոնվերգենցիա, դիվերգենցիա), որոնք կարող են խթանել ատոմիզացումը կամ ներթափանցումը այրման խցիկում: Հորատման ժամանակը կախված է աբլացիայի ծավալից՝ 0.2-0.5 մմ հորատման հաստությամբ և 0.12-0.25 մմ անցքի տրամագծով, ինչը այս տեխնիկան դարձնում է տասն անգամ ավելի արագ, քան միկրո-EDM-ը: Միկրոհորատումը կատարվում է երեք փուլով, ներառյալ անցքերի կոպիտ մշակումը և վերջնական մշակումը: Արգոնն օգտագործվում է որպես օժանդակ գազ՝ հորատանցքը օքսիդացումից պաշտպանելու և նախնական փուլերում վերջնական պլազման պաշտպանելու համար:

Նկար 7. Դիզելային շարժիչի ներարկիչի համար շրջված կոնաձև անցքի ֆեմտովայրկյանային լազերային բարձր ճշգրտության մշակում

08. Գերարագ լազերային տեքստուրավորում

Վերջին տարիներին, մեքենայական մշակման ճշգրտությունը բարելավելու, նյութական վնասը նվազեցնելու և մշակման արդյունավետությունը բարձրացնելու նպատակով, միկրոմեքենայացման ոլորտը աստիճանաբար դարձել է հետազոտողների ուշադրության կենտրոնում: Գերարագ լազերն ունի մշակման տարբեր առավելություններ, ինչպիսիք են ցածր վնասը և բարձր ճշգրտությունը, ինչը դարձել է մշակման տեխնոլոգիաների զարգացման խթանման կիզակետը: Միևնույն ժամանակ, գերարագ լազերները կարող են ազդել տարբեր նյութերի վրա, և լազերային մշակման նյութական վնասը նույնպես հիմնական հետազոտական ​​ուղղություն է: Գերարագ լազերն օգտագործվում է նյութերի աբլյացիայի համար: Երբ լազերի էներգիայի խտությունը բարձր է նյութի աբլյացիայի շեմից, աբլյացված նյութի մակերեսը կցուցադրի միկրոնանո կառուցվածք՝ որոշակի բնութագրերով: Հետազոտությունները ցույց են տալիս, որ այս հատուկ մակերեսային կառուցվածքը տարածված երևույթ է, որը տեղի է ունենում նյութերը լազերային մշակման ժամանակ: Մակերեսային միկրոնանո կառուցվածքների պատրաստումը կարող է բարելավել նյութի հատկությունները և նաև հնարավորություն տալ նոր նյութերի մշակմանը: Սա մակերեսային միկրոնանո կառուցվածքների պատրաստումը գերարագ լազերով դարձնում է կարևոր զարգացման նշանակություն ունեցող տեխնիկական մեթոդ: Ներկայումս մետաղական նյութերի համար գերարագ լազերային մակերևույթի տեքստուրավորման հետազոտությունները կարող են բարելավել մետաղական մակերևույթի թրջման հատկությունները, բարելավել մակերևույթի շփման և մաշվածության հատկությունները, բարելավել ծածկույթի կպչունությունը, ինչպես նաև բջիջների ուղղորդված բազմացումը և կպչունությունը։

Նկար 8. Լազերային եղանակով պատրաստված սիլիցիումային մակերեսի գերհիդրոֆոբ հատկությունները

Որպես առաջադեմ մշակման տեխնոլոգիա, գերարագ լազերային մշակումն ունի փոքր ջերմային ազդեցության գոտու, նյութերի հետ ոչ գծային փոխազդեցության գործընթացի և դիֆրակցիայի սահմանից բարձր բարձր թույլտվության մշակման բնութագրեր։ Այն կարող է իրականացնել տարբեր նյութերի բարձրորակ և բարձր ճշգրտությամբ միկրոնանո մշակում, ինչպես նաև եռաչափ միկրոնանո կառուցվածքների ստեղծում։ Հատուկ նյութերի, բարդ կառուցվածքների և հատուկ սարքերի լազերային արտադրության իրականացումը նոր ուղիներ է բացում միկրոնանո արտադրության համար։ Ներկայումս ֆեմտովայրկյանային լազերը լայնորեն կիրառվում է բազմաթիվ առաջադեմ գիտական ​​ոլորտներում. ֆեմտովայրկյանային լազերը կարող է օգտագործվել տարբեր օպտիկական սարքեր պատրաստելու համար, ինչպիսիք են միկրոլինզաների զանգվածները, բիոնիկական բարդ աչքերը, օպտիկական ալիքատարները և մետամակերեսները. օգտագործելով իր բարձր ճշգրտությունը, բարձր թույլտվությունը և եռաչափ մշակման հնարավորությունները, ֆեմտովայրկյանային լազերը կարող է պատրաստել կամ ինտեգրել միկրոհեղուկային և օպտոհեղուկային չիպեր, ինչպիսիք են միկրոջերմացնող բաղադրիչները և եռաչափ միկրոհեղուկային ալիքները։ Բացի այդ, ֆեմտովայրկյանային լազերը կարող է նաև պատրաստել տարբեր տեսակի մակերեսային միկրոնանոկառուցվածքներ՝ հակաանդրադարձման, հակաանդրադարձման, գերհիդրոֆոբիկ, հակասառեցման և այլ գործառույթներ ապահովելու համար։ Բացի այդ, ֆեմտովայրկյանային լազերը կիրառվել է նաև կենսաբժշկության ոլորտում՝ ցուցաբերելով բացառիկ արդյունքներ այնպիսի ոլորտներում, ինչպիսիք են կենսաբանական միկրոստենտները, բջջային կուլտուրայի ենթաշերտերը և կենսաբանական մանրադիտակային պատկերումը։ Կիրառման լայն հեռանկարներ։ Ներկայումս ֆեմտովայրկյանային լազերային մշակման կիրառման ոլորտները տարեցտարի ընդլայնվում են։ Բացի վերը նշված միկրոօպտիկայից, միկրոհոսքայիններից, բազմաֆունկցիոնալ միկրոնանոկառուցվածքներից և կենսաբժշկական ճարտարագիտության կիրառություններից, այն նաև մեծ դեր է խաղում որոշ զարգացող ոլորտներում, ինչպիսիք են մետամերևույթների պատրաստումը, միկրոնանո արտադրությունը և բազմաչափ օպտիկական տեղեկատվության պահպանումը և այլն։