Ultra hızlı lazerler on yıllardır var olmasına rağmen, endüstriyel uygulamaları son yirmi yılda hızla arttı. 2019 yılında ultra hızlı lazerlerin piyasa değeri...lazer malzemesiİşlem hacmi yaklaşık 460 milyon ABD doları olup, yıllık bileşik büyüme oranı %13'tür. Ultra hızlı lazerlerin endüstriyel malzemelerin işlenmesinde başarıyla kullanıldığı uygulama alanları arasında yarı iletken endüstrisinde fotomask üretimi ve onarımı, cep telefonları ve tabletler gibi tüketici elektroniğinde silikon kesme, cam kesme/çizme ve (indiyum kalay oksit) ITO film çıkarma, otomotiv endüstrisinde piston dokulandırma, koroner stent üretimi ve tıp endüstrisinde mikroakışkan cihaz üretimi yer almaktadır.
01 Yarı iletken endüstrisinde fotomask üretimi ve onarımı
Ultra hızlı lazerler, malzeme işleme alanındaki en eski endüstriyel uygulamalardan birinde kullanılmıştır. IBM, 1990'larda fotomask üretiminde femtosaniye lazer ablasyonunun uygulamasını rapor etmiştir. Metal sıçraması ve cam hasarına neden olabilen nanosaniye lazer ablasyonu ile karşılaştırıldığında, femtosaniye lazer maskeleri metal sıçraması, cam hasarı vb. göstermez. Bu yöntem, entegre devrelerin (IC'ler) üretiminde kullanılır. Bir IC çipinin üretimi 30'a kadar maske gerektirebilir ve maliyeti 100.000 dolardan fazla olabilir. Femtosaniye lazer işleme, 150 nm'nin altındaki çizgileri ve noktaları işleyebilir.
Şekil 1. Fotomask üretimi ve onarımı
Şekil 2. Aşırı ultraviyole litografi için farklı maske desenlerinin optimizasyon sonuçları
02 Yarı iletken endüstrisinde silikon kesimi
Silikon levha kesimi, yarı iletken endüstrisinde standart bir üretim sürecidir ve tipik olarak mekanik kesim kullanılarak gerçekleştirilir. Bu kesme disklerinde sıklıkla mikro çatlaklar oluşur ve ince (örneğin kalınlık < 150 μm) levhaların kesilmesi zordur. Silikon levhaların lazerle kesimi, özellikle ince levhalar (100-200 μm) için uzun yıllardır yarı iletken endüstrisinde kullanılmaktadır ve birden fazla adımda gerçekleştirilir: lazer oluk açma, ardından mekanik ayırma veya gizli kesim (yani silikonun içine kızılötesi lazer ışını ile çizim) ve ardından mekanik bant ayırma. Nanosecond darbeli lazer saatte 15 levha, pikosecond lazer ise saatte 23 levha işleyebilir ve daha yüksek kalite sağlar.
03 Tüketim elektroniği sektöründe cam kesme/çizme
Cep telefonları ve dizüstü bilgisayarlar için dokunmatik ekranlar ve koruyucu camlar inceliyor ve bazı geometrik şekiller kavisli hale geliyor. Bu durum, geleneksel mekanik kesimi daha zor hale getiriyor. Tipik lazerler, özellikle bu cam ekranlar 3-4 katman halinde istiflendiğinde ve üstteki 700 μm kalınlığındaki koruyucu cam temperli olduğunda, yerel gerilme ile kırılabilecekleri için genellikle düşük kesim kalitesi üretirler. Ultra hızlı lazerlerin bu camları daha iyi kenar mukavemetiyle kesebildiği gösterilmiştir. Büyük düz panel kesimi için, femtosaniye lazer cam levhanın arka yüzeyine odaklanabilir ve ön yüzeye zarar vermeden camın içini çizebilir. Daha sonra cam, çizilen desen boyunca mekanik veya termal yöntemlerle kırılabilir.
Şekil 3. Pikosan saniyelik ultra hızlı lazerle özel şekilli cam kesimi
04 Otomotiv sektöründe piston dokuları
Hafif otomobil motorları, dökme demir kadar aşınmaya dayanıklı olmayan alüminyum alaşımlarından üretilir. Yapılan çalışmalar, otomobil piston yüzeylerinin femtosaniye lazerle işlenmesinin, toz ve yağın etkili bir şekilde depolanması sayesinde sürtünmeyi %25'e kadar azaltabileceğini göstermiştir.
Şekil 4. Otomobil motor pistonlarının femtosaniye lazerle işlenmesiyle motor performansının iyileştirilmesi.
05 Tıp sektöründe koroner stent üretimi
Her yıl milyonlarca koroner stent, kanın tıkanmış damarlara akmasını sağlamak için vücudun koroner arterlerine yerleştirilir ve bu sayede milyonlarca hayat kurtarılır. Koroner stentler genellikle yaklaşık 100 μm destek genişliğine sahip metal (örneğin, paslanmaz çelik, nikel-titanyum şekil hafızalı alaşım veya daha yakın zamanda kobalt-krom alaşımı) tel örgüden yapılır. Uzun darbeli lazer kesime kıyasla, ultra hızlı lazerlerin kullanılmasıyla stentlerin kesilmesinin avantajları arasında yüksek kesim kalitesi, daha iyi yüzey kalitesi ve daha az artık madde bulunur; bu da işlem sonrası maliyetleri düşürür.
06 Tıbbi endüstri için mikroakışkan cihaz üretimi
Mikroakışkan cihazlar, hastalık testleri ve teşhisinde tıp endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bunlar tipik olarak, tek tek parçaların mikro enjeksiyon kalıplama yöntemiyle üretilmesi ve ardından yapıştırma veya kaynaklama yoluyla birleştirilmesiyle elde edilir. Mikroakışkan cihazların ultra hızlı lazerle üretimi, bağlantılara ihtiyaç duymadan cam gibi şeffaf malzemeler içinde 3 boyutlu mikrokanallar üretme avantajına sahiptir. Bir yöntem, kütle halindeki camın içine ultra hızlı lazerle üretim ve ardından ıslak kimyasal aşındırma işlemidir; bir diğeri ise, kalıntıları gidermek için damıtılmış suda cam veya plastik içinde femtosaniye lazer ablasyonudur. Başka bir yaklaşım ise, cam yüzeyine kanallar açmak ve bunları femtosaniye lazer kaynağı yoluyla bir cam kapakla kapatmaktır.
Şekil 6. Cam malzemeler içinde mikroakışkan kanallar hazırlamak için femtosaniye lazerle tetiklenen seçici aşındırma.
07 Enjektör memesinin mikro delme işlemi
Femtosaniye lazer mikro delik işleme, akış deliği profillerini değiştirme konusunda daha fazla esneklik ve daha kısa işleme süreleri nedeniyle yüksek basınçlı enjektör pazarındaki birçok şirkette mikro-EDM'nin yerini almıştır. Hassas tarama başlığı aracılığıyla ışının odak konumunu ve eğimini otomatik olarak kontrol etme yeteneği, yanma odasında atomizasyonu veya penetrasyonu destekleyebilen açıklık profillerinin (örneğin, namlu, genişleme, yakınsama, ıraksama) tasarlanmasına yol açmıştır. Delme süresi, 0,2 – 0,5 mm matkap kalınlığı ve 0,12 – 0,25 mm delik çapı ile aşındırma hacmine bağlıdır ve bu da bu tekniği mikro-EDM'den on kat daha hızlı hale getirir. Mikro delme, ön ve son aşamalarda pilot deliklerin kaba ve ince işlenmesi de dahil olmak üzere üç aşamada gerçekleştirilir. Argon, deliği oksidasyondan korumak ve ilk aşamalarda son plazmayı korumak için yardımcı gaz olarak kullanılır.
Şekil 7. Dizel motor enjektörü için ters konik deliğin femtosaniye lazerle yüksek hassasiyetli işlenmesi.
08 Ultra hızlı lazer doku oluşturma
Son yıllarda, işleme doğruluğunu artırmak, malzeme hasarını azaltmak ve işleme verimliliğini yükseltmek amacıyla mikro işleme alanı araştırmacıların giderek daha fazla ilgi odağı haline gelmiştir. Ultra hızlı lazerler, düşük hasar ve yüksek hassasiyet gibi çeşitli işleme avantajlarına sahip olup, işleme teknolojisinin gelişimini teşvik etmede odak noktası olmuştur. Aynı zamanda, ultra hızlı lazerler çeşitli malzemeler üzerinde etkili olabilmekte ve lazerle işleme sırasında malzeme hasarı da önemli bir araştırma yönüdür. Ultra hızlı lazer, malzemeleri aşındırmak için kullanılır. Lazerin enerji yoğunluğu, malzemenin aşındırma eşiğinden daha yüksek olduğunda, aşındırılan malzemenin yüzeyi belirli özelliklere sahip mikro-nano bir yapı sergiler. Araştırmalar, bu özel yüzey yapısının, lazerle malzeme işleme sırasında ortaya çıkan yaygın bir olgu olduğunu göstermektedir. Yüzey mikro-nano yapılarının hazırlanması, malzemenin kendi özelliklerini iyileştirebilir ve ayrıca yeni malzemelerin geliştirilmesini sağlayabilir. Bu da ultra hızlı lazerle yüzey mikro-nano yapılarının hazırlanmasını önemli bir gelişimsel öneme sahip teknik bir yöntem haline getirmektedir. Günümüzde metal malzemeler için ultra hızlı lazer yüzey dokulandırma üzerine yapılan araştırmalar, metal yüzeyin ıslatma özelliklerini, yüzey sürtünme ve aşınma özelliklerini, kaplama yapışmasını ve hücrelerin yönlü çoğalmasını ve yapışmasını iyileştirebilmektedir.
Şekil 8. Lazerle hazırlanmış silikon yüzeyin süperhidrofobik özellikleri
Son teknoloji ürünü bir işleme teknolojisi olarak, ultra hızlı lazer işleme, küçük ısıdan etkilenen bölge, malzemelerle doğrusal olmayan etkileşim süreci ve kırınım sınırının ötesinde yüksek çözünürlüklü işleme özelliklerine sahiptir. Çeşitli malzemelerin yüksek kaliteli ve yüksek hassasiyetli mikro-nano işlenmesini ve üç boyutlu mikro-nano yapı üretimini gerçekleştirebilir. Özel malzemelerin, karmaşık yapıların ve özel cihazların lazerle üretilmesi, mikro-nano üretim için yeni yollar açmaktadır. Şu anda, femtosaniye lazer birçok ileri teknoloji bilimsel alanda yaygın olarak kullanılmaktadır: femtosaniye lazer, mikromercek dizileri, biyomimetik bileşik gözler, optik dalga kılavuzları ve metasurface'ler gibi çeşitli optik cihazların hazırlanmasında kullanılabilir; yüksek hassasiyeti, yüksek çözünürlüğü ve üç boyutlu işleme yetenekleri sayesinde, femtosaniye lazer, mikro ısıtıcı bileşenleri ve üç boyutlu mikroakışkan kanallar gibi mikroakışkan ve optofluidik çiplerin hazırlanmasında veya entegrasyonunda kullanılabilir; Ek olarak, femtosaniye lazer, yansıma önleyici, süper hidrofobik, buzlanmayı önleyici ve diğer işlevleri elde etmek için farklı tipte yüzey mikro-nanoyapıları da hazırlayabilir; bununla da kalmayıp, femtosaniye lazer biyomedikal alanında da uygulanmış olup, biyolojik mikro stentler, hücre kültürü substratları ve biyolojik mikroskobik görüntüleme gibi alanlarda olağanüstü performans göstermiştir. Geniş uygulama potansiyeline sahiptir. Şu anda, femtosaniye lazer işlemenin uygulama alanları her geçen yıl genişlemektedir. Yukarıda belirtilen mikro optik, mikroakışkanlar, çok fonksiyonlu mikro-nanoyapılar ve biyomedikal mühendislik uygulamalarına ek olarak, metasurface hazırlama, mikro-nano üretim ve çok boyutlu optik bilgi depolama gibi bazı yeni alanlarda da büyük rol oynamaktadır.
Yayın tarihi: 17 Nisan 2024
