Mặc dù laser siêu nhanh đã xuất hiện từ nhiều thập kỷ trước, nhưng các ứng dụng công nghiệp của chúng đã phát triển nhanh chóng trong hai thập kỷ qua. Năm 2019, giá trị thị trường của laser siêu nhanh...vật liệu laserDoanh thu từ công nghệ xử lý laser siêu nhanh đạt khoảng 460 triệu đô la Mỹ, với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm là 13%. Các lĩnh vực ứng dụng thành công của laser siêu nhanh trong xử lý vật liệu công nghiệp bao gồm chế tạo và sửa chữa mặt nạ quang học trong ngành công nghiệp bán dẫn, cũng như cắt silicon, cắt/khắc thủy tinh và loại bỏ màng ITO (indium tin oxide) trong các thiết bị điện tử tiêu dùng như điện thoại di động và máy tính bảng, tạo vân bề mặt piston cho ngành công nghiệp ô tô, sản xuất stent mạch vành và sản xuất thiết bị vi lưu cho ngành y tế.
01 Sản xuất và sửa chữa mặt nạ quang khắc trong ngành công nghiệp bán dẫn
Laser siêu nhanh đã được sử dụng trong một trong những ứng dụng công nghiệp sớm nhất trong xử lý vật liệu. IBM đã báo cáo về ứng dụng của phương pháp khắc laser femtosec trong sản xuất mặt nạ quang khắc vào những năm 1990. So với phương pháp khắc laser nanosec, có thể tạo ra các mảnh kim loại bắn tóe và hư hỏng thủy tinh, mặt nạ laser femtosec không tạo ra các mảnh kim loại bắn tóe, không hư hỏng thủy tinh, v.v. Phương pháp này được sử dụng để sản xuất mạch tích hợp (IC). Sản xuất một chip IC có thể cần tới 30 mặt nạ và có giá hơn 100.000 đô la. Xử lý bằng laser femtosec có thể xử lý các đường và điểm có kích thước dưới 150nm.
Hình 1. Chế tạo và sửa chữa mặt nạ quang khắc.
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 công nghiệp bán dẫn
Cắt lát wafer silicon là một quy trình sản xuất tiêu chuẩn trong ngành công nghiệp bán dẫn và thường được thực hiện bằng phương pháp cắt cơ học. Các lưỡi cắt này thường xuất hiện các vết nứt nhỏ và khó cắt các wafer mỏng (ví dụ: độ dày < 150 μm). Cắt wafer silicon bằng laser đã được sử dụng trong ngành công nghiệp bán dẫn trong nhiều năm, đặc biệt là đối với các wafer mỏng (100-200μm), và được thực hiện qua nhiều bước: tạo rãnh bằng laser, tiếp theo là tách cơ học hoặc cắt ẩn (tức là chùm tia laser hồng ngoại bên trong vết khắc silicon) sau đó là tách băng keo bằng cơ học. Laser xung nano giây có thể xử lý 15 wafer mỗi giờ, và laser xung pico giây có thể xử lý 23 wafer mỗi giờ, với chất lượng cao hơn.
03 Cắt/khắc kính trong ngành công nghiệp điện tử tiêu hao
Màn hình cảm ứng và kính bảo vệ cho điện thoại di động và máy tính xách tay ngày càng mỏng hơn và một số hình dạng hình học được uốn cong. Điều này khiến việc cắt bằng máy móc truyền thống trở nên khó khăn hơn. Các loại laser thông thường thường cho chất lượng cắt kém, đặc biệt là khi các màn hình kính này được xếp chồng lên nhau 3-4 lớp và lớp kính bảo vệ dày 700 μm ở trên cùng được tôi cứng, có thể bị vỡ do ứng suất cục bộ. Laser siêu nhanh đã được chứng minh là có khả năng cắt các loại kính này với độ bền cạnh tốt hơn. Đối với việc cắt các tấm phẳng lớn, laser femtosec có thể được tập trung vào mặt sau của tấm kính, làm xước mặt trong của kính mà không làm hỏng mặt trước. Sau đó, kính có thể được làm vỡ bằng phương pháp cơ học hoặc nhiệt dọc theo đường xước.
Hình 3. Cắt kính hình dạng đặc biệt bằng laser siêu nhanh picosecond
04. Kết cấu pít-tông trong ngành công nghiệp ô tô
Động cơ ô tô hạng nhẹ được làm từ hợp kim nhôm, có khả năng chống mài mòn kém hơn gang. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc xử lý bề mặt piston ô tô bằng laser xung femto giây có thể giảm ma sát lên đến 25% vì các mảnh vụn và dầu có thể được giữ lại một cách hiệu quả.
Hình 4. Xử lý pít-tông động cơ ô tô bằng laser xung 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 ghép vào các động mạch vành trong cơ thể để mở đường cho máu chảy vào các mạch bị tắc nghẽn, cứu sống hàng triệu người mỗi năm. Stent mạch vành thường được làm từ lưới dây kim loại (ví dụ: thép không gỉ, hợp kim nhớ hình niken-titan, hoặc gần đây hơn là hợp kim coban-crom) với chiều rộng thanh khoảng 100 μm. So với cắt bằng laser xung dài, ưu điểm của việc sử dụng laser siêu 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 gia công.
06 Sản xuất thiết bị vi lưu chất cho ngành y tế
Các thiết bị vi lưu thường được sử dụng trong ngành y tế để xét nghiệm và chẩn đoán bệnh. Chúng thường được sản xuất bằng phương pháp ép phun vi mô các bộ phận riêng lẻ, sau đó liên kết bằng keo hoặc hàn. Chế tạo thiết bị vi lưu bằng laser siêu nhanh có ưu điểm là tạo ra các kênh vi mô 3D bên trong các vật liệu trong suốt như thủy tinh mà không cần kết nối. Một phương pháp là chế tạo bằng laser siêu nhanh bên trong khối thủy tinh, sau đó khắc hóa học ướt, và một phương pháp khác là loại bỏ mảnh vụn bằng laser femtosec bên trong thủy tinh hoặc nhựa trong nước cất. Một cách tiếp cận khác là gia công các kênh vào bề mặt thủy tinh và bịt kín chúng bằng một lớp kính phủ thông qua hàn laser femtosec.
Hình 6. Khắc chọn lọc bằng laser femtosec để chuẩn bị các kênh vi lưu bên trong vật liệu thủy tinh.
07 Khoan siêu nhỏ đầu phun kim phun
Gia công lỗ siêu nhỏ bằng laser femtosec đã thay thế gia công EDM siêu nhỏ tại nhiều công ty trong thị trường kim phun áp suất cao nhờ tính linh hoạt cao hơn trong việc thay đổi cấu hình lỗ dẫn và thời gian gia công ngắn hơn. Khả năng tự động điều khiển vị trí tiêu điểm và độ nghiêng của chùm tia thông qua đầu quét xoay đã dẫn đến việc thiết kế các cấu hình khẩu độ (ví dụ: hình trụ, hình loe, hình hội tụ, hình phân kỳ) có thể thúc đẩy quá trình phun sương hoặc xuyên thấu vào buồng đốt. Thời gian khoan phụ thuộc vào thể tích bóc tách, với độ dày mũi khoan từ 0,2 – 0,5 mm và đường kính lỗ từ 0,12 – 0,25 mm, làm cho kỹ thuật này nhanh hơn gấp mười lần so với gia công EDM siêu nhỏ. Quá trình khoan siêu nhỏ được thực hiện trong ba giai đoạn, bao gồm gia công thô và hoàn thiện các lỗ dẫn hướng xuyên suốt. Khí 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 các giai đoạn ban đầu.
Hình 7. Gia công chính xác cao bằng laser femtô giây lỗ côn ngược cho kim phun động cơ diesel.
08 Tạo vân bề mặt bằng laser siêu nhanh
Trong những năm gần đây, để nâng cao độ chính xác gia công, giảm thiểu hư hại vật liệu và tăng hiệu quả xử lý, lĩnh vực gia công vi mô dần trở thành tâm điểm nghiên cứu. Laser siêu nhanh có nhiều ưu điểm trong xử lý như ít gây hư hại và độ chính xác cao, trở thành trọng tâm thúc đẩy sự phát triển của công nghệ xử lý. Đồng thời, laser siêu nhanh có thể tác động lên nhiều loại vật liệu, và việc xử lý vật liệu bằng laser gây hư hại cũng là một hướng nghiên cứu chính. Laser siêu nhanh được sử dụng để làm bay hơi vật liệu. Khi mật độ năng lượng của laser cao hơn ngưỡng bay hơi của vật liệu, bề mặt của vật liệu bị bay hơi sẽ thể hiện cấu trúc vi-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 tạo ra cấu trúc vi-nano trên bề mặt có thể cải thiện các tính chất của chính vật liệu và cũng cho phép phát triển các vật liệu mới. Điều này làm cho việc tạo ra cấu trúc vi-nano trên bề mặt bằng laser siêu 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 cấu trúc bề mặt bằng laser siêu nhanh có thể cải thiện tính chất thấm ướt của bề mặt kim loại, cải thiện ma sát và khả năng chống mài mòn bề mặt, tăng cường độ bám dính của lớp phủ, cũng như sự phát triển và bám dính theo hướng nhất định của tế bào.
Hình 8. Tính chất siêu kỵ nước của bề mặt silicon được chế tạo bằng laser.
Là một công nghệ xử lý tiên tiến, xử lý bằng laser siêu nhanh có đặc điểm là vùng 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 vi mô-nano chất lượng cao và độ chính xác cao đối với nhiều loại vật liệu và chế tạo cấu trúc vi mô-nano ba chiều. Việc chế tạo bằng laser các vật liệu đặc biệt, cấu trúc phức tạp và thiết bị đặc biệt mở ra những hướng đi mới cho sản xuất vi mô-nano. Hiện nay, laser femtô giây đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học tiên tiến: laser femtô giây có thể được sử dụng để chế tạo nhiều thiết bị quang học khác nhau, chẳng hạn như mảng thấu kính siêu nhỏ, mắt kép sinh học, ống dẫn sóng quang học và siêu bề mặt; sử dụng độ chính xác cao, độ phân giải cao và khả năng xử lý ba chiều, laser femtô giây có thể chế tạo hoặc tích hợp các chip vi lưu và quang lưu như các thành phần vi gia nhiệt và kênh vi lưu ba chiều; Ngoài ra, laser femtô giây còn có thể tạo ra nhiều loại cấu trúc vi mô và nano bề mặt khác nhau để đạt được các chức năng như chống phản xạ, siêu kỵ nước, chống đóng băng và các chức năng khác; không chỉ vậy, laser femtô giây còn được ứng dụng trong lĩnh vực y sinh học, thể hiện hiệu suất vượt trội trong các lĩnh vực như vi stent sinh học, chất nền nuôi cấy tế bào và hình ảnh hiển vi sinh học. Triển vọng ứng dụng rộng rãi. Hiện nay, các lĩnh vực ứng dụng của gia công bằng laser femtô giây đang mở rộng từng năm. Bên cạnh các ứng dụng quang học vi mô, vi dịch học, cấu trúc vi mô và nano đa chức năng và kỹ thuật y sinh học đã đề cập ở trên, nó còn đóng vai trò quan trọng trong một số lĩnh vực mới nổi, chẳng hạn như chế tạo siêu vật liệu, sản xuất vi mô và nano và lưu trữ thông tin quang học đa chiều, v.v.
Thời gian đăng bài: 17/04/2024
