Урок 13.6Микро и наноГлава 13 · Микро- и нанопроизводство

Обработка фемтосекундным лазером

Удаляет материал сверхкороткими лазерными импульсами, без плавления

Обработка фемтосекундным лазером режет, сверлит и текстурирует материал лазерными вспышками короче одной триллионной доли секунды. Каждая вспышка испаряет тонкий слой прежде, чем тепло успеет распространиться, поэтому края получаются чистыми, а не оплавленными. Производители стентов для сердца, защитного стекла телефонов и топливных форсунок используют её там, где важно малейшее тепловое повреждение.

Фото: paul_houle, CC BY-SA 2.0, через Wikimedia Commons

обработка фемтосекундным лазером · установка и увеличение пятнаЦифры в кружках соответствуют шагам ниже; две рамки увеличивают место, где свет встречается с материалом.

Как это работает

Создать сверхкороткие импульсы. Генератор (ядро лазера, создающее импульсы) испускает постоянную последовательность слабых импульсов. Каждый длится от десятков до сотен фемтосекунд (фемтосекунда — одна миллионная миллиардной доли секунды).
Усилить их. Усилитель растягивает каждый импульс, повышает его энергию, затем снова сжимает до короткого. Этот приём, усиление чирпированных импульсов, получил Нобелевскую премию по физике 2018 года.
Навести и сфокусировать. Сканер (два быстро поворачивающихся зеркала) направляет луч. Линза фокусирует его в пятно шириной в несколько микрон (микрон, или мкм, — одна тысячная миллиметра).
Холодная абляция. Импульс отдаёт энергию быстрее, чем атомы успевают передать тепло соседям. Тонкий слой абляционно удаляется, то есть сбрасывается в виде пара и плазмы (горячего заряженного газа), почти без плавления.
Пройти траекторию. Сотни тысяч импульсов в секунду и более проходят запрограммированный путь слой за слоем, чтобы резать, сверлить или текстурировать. При фокусировке внутри прозрачного стекла импульсы могут даже записывать каналы, не касаясь поверхности.

Ключевые факты

Материалы: Почти всё: сталь, титан, нитинол (сплав с памятью формы), стекло, сапфир, керамика, полимеры, даже ткань глаза
Типичные детали: Стенты для сердца, микроотверстия в топливных форсунках и печатных платах, вырезы в защитном стекле телефонов, текстурированные поверхности
Размер детали: Элементы от примерно 1 мкм до миллиметров; детали обычно небольшие или тонкие (трубки, листы, фольга)
Точность: Обычно несколько микрон; элементы до примерно 1 мкм
Качество поверхности: Чистые края без заусенцев и почти без зоны термического влияния (полосы материала, изменённого теплом)
Подходящая партия: От прототипов до больших серий дорогих деталей (стенты, стекло для телефонов, фольга аккумуляторов)
Стоимость оснастки и оборудования: Оснастка не нужна; лазерная рабочая станция обычно стоит несколько сотен тысяч долларов
Скорость: Сотни тысяч импульсов в секунду, но объёмное удаление медленное: обычно кубические миллиметры в минуту

Сильные стороны и ограничения

Сильные стороны

Почти нет теплового повреждения: нет заусенцев, оплавленных кромок и трещин
Работает со стеклом, сапфиром, керамикой и чувствительными к нагреву пластиками
Детали в масштабе микрон, без контакта с инструментом и без износа инструмента
Может изменять внутреннюю часть стекла, не касаясь его поверхности

Ограничения

Удаляет материал медленно по сравнению с обычными лазерами
Лазерные источники дороги и сложны
Настройка энергии импульса, частоты и перекрытия — тонкое дело
Подходит для небольших деталей и тонких сечений; дым нужно отводить

Где применяется

Медицинские изделияКоронарные стенты, катетеры, микроиглы
Бытовая электроникаЗащитное стекло телефонов, сапфировые крышки камер, вырезы в дисплеях
ЭлектроникаМикропереходы (крошечные отверстия, соединяющие слои печатной платы), резка пластин
АккумуляторыРезка и структурирование электродной фольги
Хирургия глазаРоговичные лоскуты для LASIK, этапы операции по удалению катаракты
Автомобилестроение и авиацияОтверстия форсунок, охлаждающие отверстия, текстуры поверхности, снижающие трение

Как узнать процесс

Обычно не увидите: элементы шириной в микроны оказываются спрятаны внутри стентов, телефонов, печатных плат и двигателей.
Края реза на стекле или металле выглядят идеально чистыми, без цветов прожига, заусенцев и капель повторно затвердевшего металла.
Под лупой — чёткие круглые микроотверстия, часто слегка конические (шире со стороны входа лазера).
Лазерно-текстурированный металл переливается радужными цветами: импульсы оставляют рябь, достаточно мелкую, чтобы разлагать свет на цвета.

Сравните с

Лазерная резка6.2непрерывный или более длинноимпульсный луч плавит и выдувает материал; намного быстрее, но оставляет край с зоной термического влияния.Фокусированный ионный пучок13.5удаляет материал пучком ионов (заряженных атомов) в вакууме; тоньше, до нанометров, но намного медленнее.Двухфотонная полимеризация13.8использует такой же лазер, чтобы выращивать, а не удалять: смола затвердевает только в фокусе.

Смотрите

SME Media · Обзор простым языком того, что могут сверхкороткие импульсы

CMS Laser · Вырезание рисунков типа стентов из тонких металлических трубок

Spectra-Physics an MKS Brand · Крупные планы чистых микрорезов и отверстий

TRUMPFtube · Сверление печатных плат на производственной скорости

Смотреть реальные фото

Википедия: лазерная абляция — как импульсные лазеры удаляют материал; мало фотографий
Википедия: сверхкороткий импульс — что такое фемтосекундные импульсы и как их получают
Поиск фотографий в Wikimedia Commons

Запомните

Импульсы короче времени, за которое распространяется тепло, удаляют материал, не плавя его.
Она обрабатывает почти любой материал, включая стекло и ткани, с точностью до микрон.
Цена — дорогие лазеры и медленное удаление, поэтому метод подходит для небольших дорогих деталей.