التطبيقات الصناعية لتصنيع النانو بالليزر فائق السرعة

على الرغم من أن الليزر فائق السرعة موجود منذ عقود، إلا أن التطبيقات الصناعية نمت بسرعة في العقدين الماضيين.في عام 2019، القيمة السوقية لل فائق السرعةمادة الليزربلغت قيمة المعالجة حوالي 460 مليون دولار أمريكي، بمعدل نمو سنوي مركب قدره 13%.تشمل مجالات التطبيق التي تم فيها استخدام الليزر فائق السرعة بنجاح لمعالجة المواد الصناعية تصنيع وإصلاح الأقنعة الضوئية في صناعة أشباه الموصلات بالإضافة إلى تقطيع السيليكون وقطع الزجاج/الكتابة وإزالة فيلم ITO (أكسيد القصدير الإنديوم) في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية مثل الهواتف المحمولة والأجهزة اللوحية وتركيب المكبس لصناعة السيارات وتصنيع الدعامات التاجية وتصنيع أجهزة الموائع الدقيقة للصناعة الطبية.

01 تصنيع وإصلاح الأقنعة الضوئية في صناعة أشباه الموصلات

تم استخدام الليزر فائق السرعة في أحد أقدم التطبيقات الصناعية في معالجة المواد.أبلغت شركة IBM عن تطبيق استئصال ليزر الفيمتو ثانية في إنتاج الأقنعة الضوئية في التسعينيات.بالمقارنة مع الاستئصال بالليزر بالنانو ثانية، والذي يمكن أن يؤدي إلى تناثر المعادن وتلف الزجاج، فإن أقنعة ليزر الفيمتو ثانية لا تظهر أي تناثر معدني أو تلف زجاجي، وما إلى ذلك.تستخدم هذه الطريقة لإنتاج دوائر متكاملة (ICs).قد يتطلب إنتاج شريحة IC ما يصل إلى 30 قناعًا وتكلف أكثر من 100000 دولار.يمكن للمعالجة بليزر الفيمتو ثانية معالجة الخطوط والنقاط التي يقل طولها عن 150 نانومتر.

الشكل 1. تصنيع وإصلاح النبائط

الشكل 2. نتائج التحسين لأنماط قناع مختلفة للطباعة الحجرية فوق البنفسجية المتطرفة

02 قطع السيليكون في صناعة أشباه الموصلات

إن تقطيع رقاقة السيليكون هي عملية تصنيع قياسية في صناعة أشباه الموصلات ويتم إجراؤها عادةً باستخدام التقطيع الميكانيكي.غالبًا ما تُحدث عجلات القطع هذه شقوقًا صغيرة ويصعب قطع الرقائق الرقيقة (على سبيل المثال، سمكها أقل من 150 ميكرومتر).تم استخدام القطع بالليزر لرقائق السيليكون في صناعة أشباه الموصلات لسنوات عديدة، خاصة بالنسبة للرقائق الرقيقة (100-200 ميكرومتر)، ويتم تنفيذها في خطوات متعددة: الحز بالليزر، يليه الفصل الميكانيكي أو القطع الخفي (أي شعاع الليزر بالأشعة تحت الحمراء بالداخل) الكتابة بالسيليكون) متبوعة بفصل الشريط الميكانيكي.يمكن لليزر النبضي بالنانو ثانية معالجة 15 رقاقة في الساعة، ويمكن لليزر البيكو ثانية معالجة 23 رقاقة في الساعة بجودة أعلى.

03 قطع وكتابة الزجاج في صناعة الإلكترونيات الاستهلاكية

أصبحت شاشات اللمس والنظارات الواقية للهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة أقل سمكًا وأصبحت بعض الأشكال الهندسية منحنية.وهذا يجعل القطع الميكانيكي التقليدي أكثر صعوبة.عادةً ما تنتج أجهزة الليزر النموذجية جودة قطع رديئة، خاصة عندما تكون شاشات العرض الزجاجية هذه مكدسة من 3 إلى 4 طبقات ويكون الزجاج الواقي العلوي بسمك 700 ميكرومتر مقسى، والذي يمكن أن ينكسر بسبب الإجهاد الموضعي.لقد ثبت أن الليزر فائق السرعة قادر على قطع هذه النظارات بقوة حافة أفضل.بالنسبة لقطع الألواح المسطحة الكبيرة، يمكن تركيز ليزر الفيمتو ثانية على السطح الخلفي للوح الزجاج، مما يؤدي إلى خدش الجزء الداخلي من الزجاج دون الإضرار بالسطح الأمامي.يمكن بعد ذلك كسر الزجاج باستخدام وسائل ميكانيكية أو حرارية على طول النمط المسجل.

الشكل 3. قطع الزجاج بالليزر الفائق السرعة بيكو ثانية على شكل خاص

04 قوام المكبس في صناعة السيارات

تُصنع محركات السيارات خفيفة الوزن من سبائك الألومنيوم، وهي ليست مقاومة للتآكل مثل الحديد الزهر.لقد وجدت الدراسات أن معالجة نسيج مكبس السيارة بالليزر الفيمتو ثانية يمكن أن تقلل الاحتكاك بنسبة تصل إلى 25% لأنه يمكن تخزين الحطام والزيت بشكل فعال.

الشكل 4. معالجة الفيمتو ثانية بالليزر لمكابس محرك السيارات لتحسين أداء المحرك

05 تصنيع الدعامات التاجية في الصناعة الطبية

يتم زرع الملايين من الدعامات التاجية في الشرايين التاجية بالجسم لفتح قناة لتدفق الدم إلى الأوعية الدموية المتجلطة، مما ينقذ حياة الملايين كل عام.تُصنع الدعامات التاجية عادةً من المعدن (على سبيل المثال، الفولاذ المقاوم للصدأ، أو سبائك النيكل والتيتانيوم ذات الذاكرة، أو سبائك الكوبالت والكروم مؤخرًا) من شبكة سلكية بعرض دعامة يبلغ حوالي 100 ميكرومتر.بالمقارنة مع القطع بالليزر طويل النبض، فإن مزايا استخدام الليزر فائق السرعة لقطع الأقواس هي جودة القطع العالية، وتشطيب السطح بشكل أفضل، وتقليل الحطام، مما يقلل من تكاليف ما بعد المعالجة.

06 تصنيع أجهزة الموائع الدقيقة للصناعة الطبية

تُستخدم أجهزة الموائع الدقيقة بشكل شائع في الصناعة الطبية لاختبار الأمراض وتشخيصها.يتم تصنيعها عادةً عن طريق القولبة بالحقن الدقيق للأجزاء الفردية ثم ربطها باستخدام الإلتصاق أو اللحام.يتمتع تصنيع أجهزة الموائع الدقيقة بالليزر فائق السرعة بميزة إنتاج قنوات دقيقة ثلاثية الأبعاد داخل مواد شفافة مثل الزجاج دون الحاجة إلى توصيلات.تتمثل إحدى الطرق في التصنيع بالليزر فائق السرعة داخل زجاج ضخم متبوعًا بالحفر الكيميائي الرطب، والطريقة الأخرى هي الاستئصال بالليزر بالفيمتو ثانية داخل الزجاج أو البلاستيك في الماء المقطر لإزالة الحطام.هناك طريقة أخرى تتمثل في تشكيل القنوات داخل السطح الزجاجي وإغلاقها بغطاء زجاجي عن طريق اللحام بالليزر بالفيمتو ثانية.

الشكل 6. الفيمتو ثانية التي يسببها الليزر النقش الانتقائي لإعداد قنوات ميكروفلويديك داخل المواد الزجاجية

07 الحفر الدقيق لفوهة الحاقن

لقد حلت معالجة الثقب الصغير بالليزر الفيمتو ثانية محل micro-EDM في العديد من الشركات في سوق حاقن الضغط العالي بسبب المرونة الأكبر في تغيير ملفات تعريف ثقب التدفق وأوقات المعالجة الأقصر.أدت القدرة على التحكم تلقائيًا في موضع التركيز وإمالة الشعاع من خلال رأس المسح المسبق إلى تصميم ملفات تعريف الفتحة (على سبيل المثال، البرميل، والتوهج، والتقارب، والتباعد) التي يمكن أن تعزز الانحلال أو الاختراق في غرفة الاحتراق.يعتمد وقت الحفر على حجم الاجتثاث، حيث يبلغ سمك الحفر 0.2 - 0.5 مم وقطر الثقب 0.12 - 0.25 مم، مما يجعل هذه التقنية أسرع بعشر مرات من تقنية Micro-EDM.يتم إجراء الحفر الدقيق على ثلاث مراحل، بما في ذلك التخشين والتشطيب للثقوب التجريبية.يستخدم الأرجون كغاز مساعد لحماية البئر من الأكسدة ولحماية البلازما النهائية خلال المراحل الأولية.

الشكل 7. معالجة عالية الدقة بالليزر للفيمتو ثانية للثقب المستدق المقلوب لحاقن محرك الديزل

08 تركيب ليزر فائق السرعة

في السنوات الأخيرة، من أجل تحسين دقة المعالجة، وتقليل الأضرار المادية، وزيادة كفاءة المعالجة، أصبح مجال المعالجة الدقيقة تدريجيًا محط اهتمام الباحثين.يتمتع الليزر فائق السرعة بمزايا معالجة مختلفة مثل الضرر المنخفض والدقة العالية، والتي أصبحت محور تعزيز تطوير تكنولوجيا المعالجة.وفي الوقت نفسه، يمكن أن تعمل أشعة الليزر فائقة السرعة على مجموعة متنوعة من المواد، كما أن تلف المواد الناتج عن معالجة الليزر هو أيضًا اتجاه بحثي رئيسي.يستخدم الليزر فائق السرعة لاستئصال المواد.عندما تكون كثافة طاقة الليزر أعلى من عتبة الاجتثاث للمادة، فإن سطح المادة المتحللة سيُظهر بنية نانوية صغيرة ذات خصائص معينة.تظهر الأبحاث أن هذا الهيكل السطحي الخاص هو ظاهرة شائعة تحدث عند معالجة المواد بالليزر.يمكن أن يؤدي إعداد هياكل النانو السطحية إلى تحسين خصائص المادة نفسها وتمكين أيضًا من تطوير مواد جديدة.وهذا يجعل تحضير الهياكل النانوية السطحية باستخدام الليزر فائق السرعة طريقة تقنية ذات أهمية تطويرية مهمة.حاليًا، بالنسبة للمواد المعدنية، يمكن للأبحاث المتعلقة بتركيب سطح الليزر فائق السرعة تحسين خصائص ترطيب سطح المعدن، وتحسين احتكاك السطح وخصائص التآكل، وتعزيز التصاق الطلاء، وانتشار الخلايا والتصاقها.

الشكل 8. خصائص Superhydrophobic لسطح السيليكون المحضر بالليزر

باعتبارها تقنية معالجة متطورة، تتميز المعالجة بالليزر فائق السرعة بخصائص المنطقة الصغيرة المتأثرة بالحرارة، وعملية التفاعل غير الخطية مع المواد، والمعالجة عالية الدقة التي تتجاوز حد الحيود.يمكنها تحقيق معالجة نانو دقيقة عالية الجودة وعالية الدقة لمختلف المواد.وتصنيع هيكل النانو الصغير ثلاثي الأبعاد.إن تحقيق التصنيع بالليزر للمواد الخاصة والهياكل المعقدة والأجهزة الخاصة يفتح آفاقًا جديدة لتصنيع النانو الصغير.في الوقت الحاضر، يتم استخدام ليزر الفيمتو ثانية على نطاق واسع في العديد من المجالات العلمية المتطورة: يمكن استخدام ليزر الفيمتو ثانية لإعداد أجهزة بصرية مختلفة، مثل صفائف العدسات الدقيقة، والعيون المركبة الإلكترونية، وأدلة الموجات الضوئية والأسطح الخارقة؛باستخدام دقته العالية ودقته العالية وإمكانيات المعالجة ثلاثية الأبعاد، يمكن لليزر الفيمتو ثانية إعداد أو دمج رقائق الموائع الدقيقة والموائع الضوئية مثل مكونات السخانات الدقيقة وقنوات الموائع الدقيقة ثلاثية الأبعاد؛بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يقوم ليزر الفيمتو ثانية أيضًا بإعداد أنواع مختلفة من الهياكل النانوية الدقيقة السطحية لتحقيق وظائف مضادة للانعكاس، ومضادة للانعكاس، وكارهة للماء للغاية، ومضادة للتجمد وغيرها من الوظائف؛ليس هذا فحسب، بل تم أيضًا تطبيق ليزر الفيمتو ثانية في مجال الطب الحيوي، مما يُظهر أداءً متميزًا في مجالات مثل الدعامات البيولوجية الدقيقة، وركائز زراعة الخلايا، والتصوير المجهري البيولوجي.آفاق تطبيق واسعة.في الوقت الحاضر، تتوسع مجالات تطبيق معالجة ليزر الفيمتو ثانية سنة بعد سنة.بالإضافة إلى البصريات الدقيقة المذكورة أعلاه، والموائع الدقيقة، والهياكل النانوية الدقيقة متعددة الوظائف وتطبيقات الهندسة الطبية الحيوية، فإنها تلعب أيضًا دورًا كبيرًا في بعض المجالات الناشئة، مثل إعداد الأسطح الخارقة.وتصنيع النانو الصغير وتخزين المعلومات البصرية متعددة الأبعاد، وما إلى ذلك.