Mặc dù laser cực nhanh đã xuất hiện trong nhiều thập kỷ nhưng các ứng dụng công nghiệp đã phát triển nhanh chóng trong hai thập kỷ qua.Năm 2019, giá trị thị trường của ultrafastvật liệu laserchế biến đạt khoảng 460 triệu USD, với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm là 13%.Các lĩnh vực ứng dụng mà tia laser cực nhanh đã được sử dụng thành công để xử lý vật liệu công nghiệp bao gồm chế tạo và sửa chữa mặt nạ quang trong ngành công nghiệp bán dẫn cũng như cắt silicon, cắt/vạch vạch kính và loại bỏ màng ITO (oxit thiếc indium) trong thiết bị điện tử tiêu dùng như điện thoại di động và máy tính bảng , tạo kết cấu piston cho ngành công nghiệp ô tô, sản xuất stent mạch vành và sản xuất thiết bị vi lỏng cho ngành y tế.
01 Sản xuất và sửa chữa Photomask trong ngành bán dẫn
Laser cực nhanh được sử dụng trong một trong những ứng dụng công nghiệp sớm nhất trong xử lý vật liệu.IBM đã báo cáo ứng dụng cắt bỏ bằng laser femto giây trong sản xuất mặt nạ quang vào những năm 1990.So với phương pháp cắt bỏ bằng laser nano giây, có thể tạo ra vết bắn kim loại và hư hỏng thủy tinh, mặt nạ laser femto giây không có hiện tượng bắn tung tóe kim loại, không làm hỏng kính, v.v.Phương pháp này được sử dụng để sản xuất mạch tích hợp (IC).Sản xuất chip IC có thể cần tới 30 mặt nạ và chi phí >100.000 USD.Xử lý laser Femto giây có thể xử lý các đường và điểm dưới 150nm.
Hình 1. Chế tạo và sửa chữa Photomask
Hình 2. Kết quả tối ưu hóa các mẫu mặt nạ khác nhau cho kỹ thuật in thạch bản cực tím
02 Cắt silicon trong ngành bán dẫn
Cắt miếng silicon là một quy trình sản xuất tiêu chuẩn trong ngành bán dẫn và thường được thực hiện bằng cách cắt cơ học.Những bánh xe cắt này thường phát triển các vết nứt nhỏ và khó cắt các tấm wafer mỏng (ví dụ: độ dày < 150 μm).Cắt laser các tấm silicon đã được sử dụng trong ngành công nghiệp bán dẫn trong nhiều năm, đặc biệt đối với các tấm wafer mỏng (100-200μm), và được thực hiện theo nhiều bước: tạo rãnh bằng laser, sau đó là tách cơ học hoặc cắt tàng hình (tức là chùm tia laser hồng ngoại bên trong ghi chép silicon) sau đó là tách băng cơ học.Laser xung nano giây có thể xử lý 15 tấm wafer mỗi giờ và laser pico giây có thể xử lý 23 tấm wafer mỗi giờ, với chất lượng cao hơn.
03 Cắt/viết nguệch ngoạc kính trong ngành điện tử tiêu dùng
Màn hình cảm ứng và kính bảo vệ dành cho điện thoại di động, máy tính xách tay ngày càng mỏng hơn và một số hình dạng hình học bị cong.Điều này làm cho việc cắt cơ học truyền thống trở nên khó khăn hơn.Các tia laser thông thường thường tạo ra chất lượng cắt kém, đặc biệt khi những màn hình kính này được xếp chồng lên nhau 3-4 lớp và lớp kính bảo vệ dày 700 μm trên cùng được tôi luyện, có thể vỡ do ứng suất cục bộ.Tia laser cực nhanh đã được chứng minh là có thể cắt những loại kính này với độ bền cạnh tốt hơn.Để cắt tấm phẳng lớn, tia laser femto giây có thể tập trung vào mặt sau của tấm kính, làm xước mặt trong của kính mà không làm hỏng bề mặt trước.Sau đó, kính có thể bị vỡ bằng cách sử dụng các phương tiện cơ học hoặc nhiệt dọc theo vết khắc.
Hình 3. Cắt kính có hình dạng đặc biệt bằng tia laser cực nhanh Picosecond
04 Kết cấu Piston trong ngành ô tô
Động cơ ô tô hạng nhẹ được làm bằng hợp kim nhôm, không có khả năng chống mài mòn như gang.Các nghiên cứu đã phát hiện ra rằng việc xử lý kết cấu pít-tông ô tô bằng laser femto giây có thể giảm ma sát tới 25% vì các mảnh vụn và dầu có thể được lưu trữ một cách hiệu quả.
Hình 4. Xử lý piston động cơ ô tô bằng laser femto giây để cải thiện hiệu suất động cơ
05 Sản xuất stent mạch vành trong ngành y tế
Hàng triệu stent mạch vành được cấy vào động mạch vành của cơ thể để mở đường cho máu chảy vào các mạch máu vốn bị tắc nghẽn, cứu sống hàng triệu người mỗi năm.Stent mạch vành thường được làm từ lưới thép kim loại (ví dụ, thép không gỉ, hợp kim nhớ hình niken-titan hoặc gần đây là hợp kim coban-crom) với chiều rộng thanh chống khoảng 100 μm.So với cắt laser xung dài, ưu điểm của việc sử dụng laser cực nhanh để cắt giá đỡ là chất lượng cắt cao, bề mặt hoàn thiện tốt hơn và ít mảnh vụn hơn, giúp giảm chi phí xử lý sau.
06 Sản xuất thiết bị vi lỏng phục vụ ngành y tế
Các thiết bị vi lỏng thường được sử dụng trong ngành y tế để xét nghiệm và chẩn đoán bệnh.Chúng thường được sản xuất bằng cách ép phun vi mô các bộ phận riêng lẻ và sau đó liên kết bằng cách dán hoặc hàn.Việc chế tạo các thiết bị vi lỏng bằng laser cực nhanh có ưu điểm là tạo ra các vi mạch 3D bên trong các vật liệu trong suốt như thủy tinh mà không cần kết nối.Một phương pháp là chế tạo bằng laser cực nhanh bên trong thủy tinh khối, sau đó là khắc hóa chất ướt, và một phương pháp khác là cắt bỏ bằng laser femto giây bên trong thủy tinh hoặc nhựa trong nước cất để loại bỏ các mảnh vụn.Một cách tiếp cận khác là gia công các kênh vào bề mặt kính và bịt kín chúng bằng nắp kính thông qua hàn laser femto giây.
Hình 6. Khắc chọn lọc bằng laser femto giây để chuẩn bị các kênh vi lỏng bên trong vật liệu thủy tinh
07 Khoan siêu nhỏ vòi phun
Gia công lỗ vi mô bằng laser Femto giây đã thay thế micro-EDM tại nhiều công ty trên thị trường máy phun áp suất cao nhờ tính linh hoạt cao hơn trong việc thay đổi cấu hình lỗ dòng chảy và thời gian gia công ngắn hơn.Khả năng tự động kiểm soát vị trí lấy nét và độ nghiêng của chùm tia thông qua đầu quét tiên tiến đã dẫn đến việc thiết kế các cấu hình khẩu độ (ví dụ: nòng, tia sáng, hội tụ, phân kỳ) có thể thúc đẩy quá trình nguyên tử hóa hoặc thâm nhập vào buồng đốt.Thời gian khoan phụ thuộc vào thể tích cắt bỏ, với độ dày mũi khoan 0,2 – 0,5 mm và đường kính lỗ 0,12 – 0,25 mm, giúp kỹ thuật này nhanh gấp 10 lần so với micro-EDM.Khoan vi mô được thực hiện theo ba giai đoạn, bao gồm gia công thô và hoàn thiện các lỗ xuyên thí điểm.Argon được sử dụng làm khí phụ trợ để bảo vệ lỗ khoan khỏi quá trình oxy hóa và che chắn plasma cuối cùng trong giai đoạn đầu.
Hình 7. Xử lý lỗ côn ngược với độ chính xác cao bằng laser Femto giây cho kim phun động cơ diesel
08 Tạo họa tiết bằng laser cực nhanh
Trong những năm gần đây, để nâng cao độ chính xác gia công, giảm hư hỏng vật liệu và tăng hiệu quả xử lý, lĩnh vực vi cơ khí dần trở thành tâm điểm của các nhà nghiên cứu.Laser cực nhanh có nhiều ưu điểm xử lý khác nhau như độ sát thương thấp và độ chính xác cao, đã trở thành trọng tâm thúc đẩy sự phát triển của công nghệ xử lý.Đồng thời, tia laser cực nhanh có thể tác động lên nhiều loại vật liệu và sự phá hủy vật liệu xử lý bằng laser cũng là một hướng nghiên cứu chính.Laser cực nhanh được sử dụng để cắt bỏ vật liệu.Khi mật độ năng lượng của tia laser cao hơn ngưỡng cắt bỏ của vật liệu, bề mặt của vật liệu bị cắt bỏ sẽ hiển thị cấu trúc micro-nano với những đặc điểm nhất định.Nghiên cứu cho thấy Cấu trúc bề mặt đặc biệt này là hiện tượng phổ biến xảy ra khi xử lý vật liệu bằng laser.Việc chuẩn bị các cấu trúc micro-nano bề mặt có thể cải thiện các tính chất của vật liệu và cũng cho phép phát triển các vật liệu mới.Điều này làm cho việc chế tạo các cấu trúc micro-nano bề mặt bằng laser cực nhanh trở thành một phương pháp kỹ thuật có ý nghĩa phát triển quan trọng.Hiện nay, đối với vật liệu kim loại, nghiên cứu về tạo kết cấu bề mặt bằng laser cực nhanh có thể cải thiện đặc tính làm ướt bề mặt kim loại, cải thiện đặc tính ma sát và mài mòn bề mặt, tăng cường độ bám dính của lớp phủ cũng như sự tăng sinh định hướng và độ bám dính của tế bào.
Hình 8. Đặc tính siêu kỵ nước của bề mặt silicon được điều chế bằng laser
Là một công nghệ xử lý tiên tiến, xử lý laser cực nhanh có đặc điểm là vùng chịu ảnh hưởng nhiệt nhỏ, quá trình tương tác phi tuyến tính với vật liệu và xử lý độ phân giải cao vượt quá giới hạn nhiễu xạ.Nó có thể thực hiện xử lý micro-nano chất lượng cao và độ chính xác cao của các vật liệu khác nhau.và chế tạo cấu trúc micro-nano ba chiều.Việc đạt được việc sản xuất bằng laser các vật liệu đặc biệt, cấu trúc phức tạp và các thiết bị đặc biệt sẽ mở ra con đường mới cho sản xuất micro-nano.Hiện nay, laser femto giây đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học tiên tiến: laser femto giây có thể được sử dụng để chế tạo các thiết bị quang học khác nhau, chẳng hạn như mảng vi thấu kính, mắt ghép sinh học, ống dẫn sóng quang và siêu bề mặt;sử dụng độ chính xác cao, độ phân giải cao và với khả năng xử lý ba chiều, laser femto giây có thể chuẩn bị hoặc tích hợp các chip vi lỏng và quang lỏng như các bộ phận vi nhiệt và kênh vi lỏng ba chiều;Ngoài ra, laser femto giây cũng có thể chuẩn bị các loại cấu trúc nano bề mặt khác nhau để đạt được chức năng chống phản xạ, chống phản xạ, siêu kỵ nước, chống đóng băng và các chức năng khác;Không chỉ vậy, laser femto giây còn được ứng dụng trong lĩnh vực y sinh, cho thấy hiệu quả vượt trội trong các lĩnh vực như stent vi mô sinh học, chất nền nuôi cấy tế bào và chụp ảnh kính hiển vi sinh học.Triển vọng ứng dụng rộng rãi.Hiện nay, các lĩnh vực ứng dụng xử lý laser femto giây đang mở rộng hàng năm.Ngoài các ứng dụng quang học vi mô, vi lỏng, cấu trúc nano vi mô đa chức năng và các ứng dụng kỹ thuật y sinh đã đề cập ở trên, nó còn đóng một vai trò rất lớn trong một số lĩnh vực mới nổi, như chuẩn bị metasurface., sản xuất micro-nano và lưu trữ thông tin quang học đa chiều, v.v.
Thời gian đăng: 17-04-2024
