Gia công laser femto giây

Cách hoạt động

1. 1

   Tạo xung siêu ngắn. Một bộ dao động (lõi tạo xung của laser) phát ra chuỗi xung yếu đều đặn. Mỗi xung kéo dài hàng chục đến hàng trăm femto giây (một femto giây là một phần triệu của một phần tỷ giây).

2. 2

   Khuếch đại chúng. Bộ khuếch đại kéo giãn mỗi xung, tăng năng lượng của nó, rồi nén ngắn lại. Mẹo này, khuếch đại xung chirp, đã giành giải Nobel Vật lý năm 2018.

3. 3

   Nhắm và hội tụ. Bộ quét (hai gương quay nhanh) lái chùm tia. Thấu kính hội tụ nó thành điểm rộng vài micron (một micron, hay µm, là một phần nghìn milimet).

4. 4

   Cắt gọt nguội. Xung đổ năng lượng nhanh hơn tốc độ nguyên tử truyền nhiệt cho lân cận. Một lớp mỏng bị cắt gọt (ablation), nghĩa là bị thổi bay dưới dạng hơi và plasma (khí nóng mang điện), hầu như không nóng chảy.

5. 5

   Quét đường đi. Hàng trăm nghìn xung mỗi giây hoặc hơn vẽ theo đường đã lập trình, từng lớp, để cắt, khoan hoặc tạo vân. Khi hội tụ bên trong kính trong suốt, các xung thậm chí có thể viết ra kênh mà không chạm vào bề mặt.

Thông số chính

Vật liệu

Gần như mọi thứ: thép, titan, nitinol (hợp kim nhớ hình), thủy tinh, sapphire, gốm, polyme, thậm chí mô mắt

Chi tiết thường gặp

Stent tim, lỗ siêu nhỏ trong kim phun nhiên liệu và bảng mạch, đường cắt trong kính cường lực điện thoại, bề mặt có vân

Kích thước chi tiết

Chi tiết từ khoảng 1 µm đến milimet; chi tiết thường nhỏ hoặc mỏng (ống, tấm, lá)

Độ chính xác

Thường vài micron; chi tiết xuống đến khoảng 1 µm

Bề mặt hoàn thiện

Mép sạch, không bavia với gần như không có vùng ảnh hưởng nhiệt (dải vật liệu bị nhiệt làm biến đổi)

Số lượng phù hợp

Từ mẫu thử đến loạt lớn chi tiết giá trị cao (stent, kính điện thoại, lá pin)

Chi phí khuôn dụng cụ và máy

Không cần khuôn dụng cụ; một trạm laser thường tốn vài trăm nghìn đô la

Tốc độ

Hàng trăm nghìn xung mỗi giây, nhưng loại bỏ khối lượng lớn chậm: thường vài milimet khối mỗi phút

Ưu điểm và hạn chế

Ứng dụng

• Thiết bị y tếStent mạch vành, ống thông, kim siêu nhỏ
• Điện tử tiêu dùngKính cường lực điện thoại, nắp camera sapphire, đường cắt màn hình
• Điện tửVi via (lỗ nhỏ nối các lớp bảng mạch), cắt wafer
• PinCắt và tạo hình lá điện cực
• Phẫu thuật mắtVạt giác mạc cho LASIK, các bước phẫu thuật đục thủy tinh thể
• Ô tô và hàng không vũ trụLỗ kim phun nhiên liệu, lỗ làm mát, vân bề mặt giảm ma sát

Cách nhận biết

• Thường bạn không thấy được: chi tiết rộng vài micron và nằm ẩn bên trong stent, điện thoại, bảng mạch và động cơ.
• Mép cắt trên thủy tinh hoặc kim loại trông hoàn toàn sạch, không có màu cháy, không bavia và không có hạt kim loại tái đông.
• Dưới kính lúp, các lỗ siêu nhỏ tròn sắc nét, thường hơi côn (rộng hơn ở phía laser đi vào).
• Kim loại tạo vân bằng laser lấp lánh màu cầu vồng: các xung để lại gợn mịn đủ để tách ánh sáng thành các màu.

So sánh với

Xem video

Femtosecond Lasers – Opening a Whole New Window of Laser Processing!

SME Media · Tổng quan đơn giản về những gì xung siêu ngắn làm được

Femtosecond Laser Cutting Metal Tubes | Ultrafast Lasers

CMS Laser · Cắt hoa văn giống stent từ ống kim loại mỏng

Ultrashort Pulse Micromachining by MKS Spectra-Physics

Spectra-Physics an MKS Brand · Cận cảnh các đường cắt và lỗ siêu nhỏ sạch

TRUMPF Laser micro processing: TruMicro Series 5000 – Laser drilling of printed circuit boards

TRUMPFtube · Khoan bảng mạch ở tốc độ sản xuất

Xem ảnh thật

• Wikipedia: Cắt gọt bằng laser — cách laser xung loại bỏ vật liệu; ít ảnh
• Wikipedia: Xung siêu ngắn — xung femto giây là gì và được tạo ra thế nào
• Tìm ảnh trên Wikimedia Commons