Pelajaran 13.6Mikro & nanoBab 13 · Mikro- dan nanofabrikasi

Permesinan laser femtosekon

Membuang material dengan pulsa laser ultrapendek, tanpa melelehkan

Permesinan laser femtosekon memotong, mengebor, dan menekstur material dengan kilatan laser yang berlangsung kurang dari sepersetriliun detik. Setiap kilatan menguapkan lapisan tipis sebelum panas sempat menyebar, sehingga tepi keluar bersih, bukan meleleh. Pembuat stent jantung, kaca penutup ponsel, dan injektor bahan bakar memakainya di tempat kerusakan panas sekecil apa pun berpengaruh.

Foto: paul_houle, CC BY-SA 2.0, melalui Wikimedia Commons

permesinan laser femtosekon · mesin dan zoom pada titiknyaAngka dalam lingkaran sesuai dengan langkah-langkah di bawah; kedua panel berbingkai memperbesar titik tempat cahaya bertemu material.

Cara kerjanya

Buat pulsa ultrapendek. Osilator (inti pembuat pulsa pada laser) memancarkan rangkaian pulsa lemah yang stabil. Masing-masing berlangsung puluhan hingga ratusan femtosekon (satu femtosekon adalah sepersejuta dari semiliar detik).
Perkuat. Penguat meregangkan setiap pulsa, menambah energinya, lalu memeras kembali menjadi pendek. Trik ini, chirped pulse amplification, memenangkan Hadiah Nobel Fisika 2018.
Bidik dan fokuskan. Pemindai (dua cermin yang berputar cepat) mengarahkan berkas. Lensa memfokuskannya menjadi titik selebar beberapa mikron (satu mikron, atau µm, adalah seperseribu milimeter).
Ablasi dingin. Pulsa melepaskan energinya lebih cepat daripada atom bisa meneruskan panas ke tetangganya. Lapisan tipis terablasi, artinya terlempar sebagai uap dan plasma (gas panas bermuatan), dengan hampir tanpa pelelehan.
Pindai jalurnya. Ratusan ribu pulsa per detik atau lebih menelusuri jalur terprogram, lapis demi lapis, untuk memotong, mengebor, atau menekstur. Difokuskan di dalam kaca bening, pulsa bahkan bisa menulis saluran tanpa menyentuh permukaan.

Fakta kunci

Material: Hampir apa saja: baja, titanium, nitinol (paduan memori bentuk), kaca, safir, keramik, polimer, bahkan jaringan mata
Komponen khas: Stent jantung, mikro-lubang pada injektor bahan bakar dan papan sirkuit, potongan pada kaca penutup ponsel, permukaan bertekstur
Ukuran komponen: Fitur dari sekitar 1 µm hingga milimeter; komponen biasanya kecil atau tipis (tabung, lembaran, foil)
Presisi: Biasanya beberapa mikron; fitur hingga sekitar 1 µm
Hasil permukaan: Tepi bersih bebas gerigi dengan hampir tanpa zona terpengaruh panas (pita material yang berubah akibat panas)
Ukuran batch yang cocok: Prototipe hingga seri besar komponen bernilai tinggi (stent, kaca ponsel, foil baterai)
Biaya perkakas dan mesin: Tanpa perkakas; workstation laser biasanya berharga beberapa ratus ribu dolar
Kecepatan: Ratusan ribu pulsa per detik, tetapi pembuangan material massal lambat: biasanya milimeter kubik per menit

Kekuatan dan batasan

Kekuatan

Hampir tanpa kerusakan panas: tanpa gerigi, tepi meleleh, atau retak
Bekerja pada kaca, safir, keramik, dan plastik yang peka panas
Detail skala mikron, tanpa kontak perkakas dan tanpa keausan perkakas
Bisa memodifikasi bagian dalam kaca tanpa menyentuh permukaannya

Batasan

Membuang material dengan lambat dibandingkan laser konvensional
Sumber laser mahal dan rumit
Menyetel energi pulsa, laju, dan tumpang tindih itu rumit
Cocok untuk komponen kecil dan penampang tipis; asap perlu disedot

Di mana dipakai

Perangkat medisStent koroner, kateter, mikro-jarum
Elektronik konsumenKaca penutup ponsel, penutup kamera safir, potongan layar
ElektronikMicro-via (lubang kecil yang menghubungkan lapisan papan sirkuit), pemotongan wafer
BateraiMemotong dan menstrukturkan foil elektrode
Bedah mataFlap kornea untuk LASIK, tahap operasi katarak
Otomotif dan dirgantaraLubang injektor bahan bakar, lubang pendingin, tekstur permukaan pengurang gesekan

Cara mengenalinya

Biasanya Anda tidak bisa: fiturnya selebar mikron dan akhirnya tersembunyi di dalam stent, ponsel, papan sirkuit, dan mesin.
Tepi potong pada kaca atau logam yang tampak benar-benar bersih, tanpa warna terbakar, tanpa gerigi, dan tanpa manik logam yang membeku kembali.
Di bawah kaca pembesar, mikro-lubang bulat yang tajam, sering sedikit meruncing (lebih lebar di sisi masuk laser).
Logam bertekstur laser yang berkilau dengan warna pelangi: pulsa meninggalkan riak yang cukup halus untuk memecah cahaya menjadi warna.

Bandingkan dengan

Pemotongan laser6.2berkas kontinu atau berpulsa lebih panjang melelehkan dan meniup material; jauh lebih cepat, tetapi meninggalkan tepi terpengaruh panas.Focused ion beam13.5membuang material dengan berkas ion (atom bermuatan) dalam vakum; lebih halus, hingga nanometer, tetapi jauh lebih lambat.Two-photon polymerization13.8memakai jenis laser yang sama untuk membangun, bukan membuang, mengeraskan resin hanya di titik fokus.

Tonton

SME Media · Ikhtisar sederhana tentang apa yang bisa dilakukan pulsa ultrapendek

CMS Laser · Memotong pola mirip stent dari tabung logam tipis

Spectra-Physics an MKS Brand · Close-up potongan mikro dan lubang yang bersih

TRUMPFtube · Mengebor papan sirkuit dengan kecepatan produksi

Lihat foto asli

Wikipedia: Laser ablation — cara laser berpulsa membuang material; sedikit foto
Wikipedia: Ultrashort pulse — apa itu pulsa femtosekon dan bagaimana dibuat
Pencarian foto Wikimedia Commons

Ingat

Pulsa yang lebih pendek daripada waktu yang dibutuhkan panas untuk menyebar membuang material tanpa melelehkannya.
Memesin hampir semua material, termasuk kaca dan jaringan, dengan detail mikron.
Harganya adalah laser yang mahal dan pembuangan lambat, sehingga cocok untuk komponen kecil bernilai tinggi.