الدرس 13.6الدقيق والنانويالفصل 13 · التصنيع الدقيق والنانوي

التشغيل بليزر الفيمتو ثانية

يزيل المادة بنبضات ليزر فائقة القصر، دون صهر

يقطع التشغيل بليزر الفيمتو ثانية المادة ويثقبها ويكسوها بملمس، بومضات ليزر تدوم أقل من جزء من تريليون من الثانية. تبخّر كل ومضة طبقة رقيقة قبل أن تنتشر الحرارة، فتخرج الحواف نظيفة لا منصهرة. يستخدمه صانعو دعامات القلب (ستنت) وزجاج أغطية الهواتف وحاقنات الوقود حيث يهم حتى الضرر الحراري الطفيف.

الصورة: paul_houle, CC BY-SA 2.0, عبر Wikimedia Commons

التشغيل بليزر الفيمتو ثانية · الآلة وتكبير للبقعةالأرقام المدوّرة تطابق الخطوات أدناه؛ واللوحتان المؤطرتان تكبّران البقعة التي يلتقي فيها الضوء بالمادة.

كيف تعمل

صنع نبضات فائقة القصر. يصدر مذبذب (نواة الليزر المولّدة للنبضات) قطارًا ثابتًا من نبضات ضعيفة. تدوم كل نبضة من عشرات إلى مئات الفيمتو ثانية (الفيمتو ثانية جزء من مليون من مليار من الثانية).
تضخيمها. يمدّد مضخِّم كل نبضة ويعزّز طاقتها ثم يضغطها قصيرة من جديد. هذه الحيلة، تضخيم النبضة المزقزقة، نالت جائزة نوبل في الفيزياء عام 2018.
التصويب والتركيز. يوجّه ماسح (مرآتان سريعتا الدوران) الحزمة. وتركّزها عدسة إلى بقعة بعرض بضعة ميكرونات (الميكرون، أو µm، جزء من ألف من المليمتر).
الاستئصال البارد. تُفرغ النبضة طاقتها أسرع مما تستطيع الذرات تمرير الحرارة إلى جاراتها. فتُستأصل طبقة رقيقة، أي تُقذف بخارًا وبلازما (غاز ساخن مشحون)، مع انصهار شبه معدوم.
مسح المسار. مئات الآلاف من النبضات في الثانية أو أكثر ترسم المسار المبرمج، طبقةً طبقة، للقطع أو الثقب أو النقش. وعند تركيزها داخل زجاج شفاف، تستطيع النبضات حتى كتابة قنوات دون لمس السطح.

حقائق أساسية

المواد: أي شيء تقريبًا: الفولاذ، التيتانيوم، النيتينول (سبيكة ذات ذاكرة شكل)، الزجاج، الياقوت الأزرق، السيراميك، البوليمرات، وحتى نسيج العين
القطع النموذجية: دعامات القلب، ثقوب دقيقة في حاقنات الوقود واللوحات الإلكترونية، فتحات في زجاج أغطية الهواتف، أسطح منقوشة
حجم القطعة: ميزات من نحو 1 µm إلى مليمترات؛ والقطع عادةً صغيرة أو رقيقة (أنابيب، صفائح، رقائق)
الدقة: عادةً بضعة ميكرونات؛ وميزات حتى نحو 1 µm
تشطيب السطح: حواف نظيفة خالية من النتوءات مع منطقة متأثرة بالحرارة شبه معدومة (نطاق المادة الذي غيّرته الحرارة)
حجم الدفعة المناسب: من النماذج الأولية إلى سلاسل كبيرة من القطع عالية القيمة (دعامات القلب، زجاج الهواتف، رقائق البطاريات)
كلفة العدّة والآلة: لا عدّة؛ ومحطة ليزر تكلّف عادةً عدة مئات الآلاف من الدولارات
السرعة: مئات الآلاف من النبضات في الثانية، لكن الإزالة الكتلية بطيئة: عادةً ملّيمترات مكعبة في الدقيقة

نقاط القوة والحدود

نقاط القوة

ضرر حراري شبه معدوم: لا نتوءات ولا حواف منصهرة ولا شقوق
يعمل على الزجاج والياقوت الأزرق والسيراميك والبلاستيك الحساس للحرارة
تفاصيل بمقياس الميكرون، دون تلامس مع أداة ودون تآكل أداة
يمكنه تعديل داخل الزجاج دون لمس سطحه

الحدود

يزيل المادة ببطء مقارنةً بالليزر التقليدي
مصادر الليزر غالية ومعقدة
ضبط طاقة النبضة ومعدلها وتداخلها دقيق
يناسب القطع الصغيرة والمقاطع الرقيقة؛ والأبخرة تحتاج إلى شفط

أين تُستخدم

الأجهزة الطبيةدعامات الشريان التاجي، القثاطر، الإبر الدقيقة
الإلكترونيات الاستهلاكيةزجاج أغطية الهواتف، أغطية كاميرات الياقوت الأزرق، فتحات الشاشات
الإلكترونياتوصلات دقيقة (ثقوب صغيرة تصل طبقات اللوحة الإلكترونية)، تقطيع الرقائق
البطارياتقطع رقائق الأقطاب وهيكلتها
جراحة العينشرائح القرنية في LASIK، خطوات جراحة الساد (الكتاراكت)
السيارات والطيرانثقوب حاقنات الوقود، ثقوب التبريد، نقوش سطحية تقلل الاحتكاك

كيف تتعرف عليها

عادةً لا يمكنك ذلك: الميزات بعرض ميكرونات وتنتهي مخفية داخل دعامات القلب والهواتف واللوحات الإلكترونية والمحركات.
حواف مقطوعة في الزجاج أو المعدن تبدو نظيفة تمامًا، دون لون حرق ولا نتوء ولا كرات معدن أعيد تجمّدها.
تحت العدسة المكبّرة: ثقوب دقيقة مستديرة حادة، غالبًا مدبّبة قليلًا (أعرض من الجهة التي دخل منها الليزر).
معدن منقوش بالليزر يتلألأ بألوان قوس القزح: تترك النبضات تموجات دقيقة بما يكفي لتفريق الضوء إلى ألوان.