Обработка стали ультракороткими лазерными импульсами

Очень быстрое развитие электронной промышленности и промышленности, связанной с использованием возобновляемых источников энергии (в том числе солнечных батарей), привело к поиску новых устройств для микрообработки материалов.

Сегодня для этой цели широко используются лазеры, работающие с ультракороткими импульсами - в нано-, фемто- и пикосекундном диапазоне.

Технология микролазерной обработки значительно развилась в последние годы с развитием систем лазерной абляции на основе лазеров с наносекундными и фемтосекундными импульсами. Такая обработка широко используется в промышленности, и сегодня с использованием этой технологии создается множество продуктов из различных областей.

Бурное развитие методов лазерной микрообработки связано с необходимостью предельно точной обработки таких элементов и материалов в электронике, которые должны быть гибкими (например, элементы акселерометра) и прочными (например, микрошестерни) или должны обладать электропроводимостью (например, микроэлектроды).

Короткоимпульсные УСП и УФ-лазеры (длины волн от 1064 до 532 до УФ (ультрафиолетового) с λ = 355 нм) необходимы при разработке и производстве компонентов солнечных электростанций, в области повышения эффективность моно- и мультикристаллических решеток.

Как резка хрупких материалов, например стекла (новые технология резки, известная как SmartCleave), так и обработка поверхности с очень высокой точностью приводят к повышению точности и эффективности производства, а также качества самой продукции, изготовленной с использованием этих лазерных технологий.

Снижение выбросов выхлопных газов и расхода топлива возможно благодаря новым лазерным методам сверления отверстий в форсунках автомобильных двигателей и системах охлаждения авиационных двигателей.

Чем короче, тем лучше

Высокое качество микрообработки с использованием пико- или фемтосекундных лазеров делает эту технологию идеальным инструментом в высокотехнологичных процессах производства микроразмерных элементов.

Термин «лазерная микрообработка» обычно относится к методу, в котором лазерный луч используется для удаления небольших количеств или тонких слоев обрабатываемого материала в рабочей зоне, благодаря процессу лазерной абляции, т.е. испарению (удалению) материала с поверхности твердого тела путем перевода его в газообразное или плазменное состояние, минуя жидкое состояние. Основные процессы лазерной микрообработки включают резку, сверление отверстий и структурирование поверхности.

Во время микрообработки лазерные импульсы фокусируются на поверхности металла. В зависимости от физико-оптических свойств материала и длины волны лазерного излучения часть лазерного излучения будет отражаться, а оставшаяся часть поглощаться и переноситься в материал благодаря теплопроводности.

В микромеханической обработке это крайне нежелательное явление. Тепло, передаваемое материалу лазерным импульсом при микрообработке, вызывает образование так называемых зон термического воздействия, которые существенно снижают качество обрабатываемых элементов.

В зависимости от материала и конкретного применения это может вызвать изменение цвета материала, локальное плавление, деформации внутри и на поверхности материала, микротрещины, образование стекловидной структуры и многие другие негативные последствия.

При достаточно высокой плотности энергии лазерного луча и малой длительности лазерных импульсов (фемтосекундной, пикосекундной) поглощаемая материалом энергия достаточно велика (выше теплоты испарения), чтобы вызвать явление лазерной абляции материала из приповерхностного слоя – происходит сублимация, т.е. переход из твердого состояния в газообразное (без жидкой фазы).

Каждый импульс создает плазму, очень горячий газ, состоящий из ионизированных частиц, который быстро распространяется от точки происхождения и таким образом рассеивает большую часть тепловой энергии. Концентрация энергии в одном импульсе настолько велика — порядка сотен мегаватт пиковой мощности, — что отрыв частиц материала происходит практически без передачи тепла материалу. Таким образом, исключая перенос тепла вглубь материала, можно избежать его термической деградации.

Благодаря использованию коротких волн и кратковременных импульсов концентрация и поглощение энергии настолько высоки, что ее можно использовать практически на любом материале, включая все металлы, полимеры, керамику, стекло и даже алмаз.

Исследования показали, что сокращение длительности лазерного импульса существенно снижает образование зон термического воздействия, что отражается на качестве обрабатываемых структур. Вот почему решения, использующие лазеры с короткой длительностью импульса, так популярны в прецизионной металлообработке.

В микромасштабе качество имеет значение

Хотя процесс лазерной абляции можно запустить с помощью лазера, работающего в непрерывном режиме, этот термин обычно относится к эффекту, вызываемому импульсными лазерами (с длительностью импульса в диапазоне наносекунд, фемтосекунд или пикосекунд).

Помимо зоны термического влияния и зоны расплава, в случае лазеров с более длинными импульсами мы получаем еще и менее гладкие поверхности (особенно это касается лазерного фрезерования). Неточные углы и вздутие поверхности, возникающие в результате работы длинноимпульсного лазера, не позволяют изготавливать высокоточные детали, тогда как обработка фемто- или пикосекундным лазером дает гораздо лучшие результаты.

Различия заметны уже в случае с наносекундными лазерами – благодаря использованию фемтосекундных импульсов для микрообработки материалов качество изготавливаемых элементов значительно лучше, чем в случае микрообработки наносекундными лазерными импульсами.

К преимуществам ультракороткой лазерной микрообработки элементов миниатюрных электромеханических устройств относятся, прежде всего, возможность микрообработки широкого круга материалов: металлов, полимеров, керамики, стекла, изоляторов, проводников, а также простота и высокая скорость процесса.

Важны также высокая гибкость проектирования геометрии элементов, относительно невысокая цена самого устройства лазерной микрообработки и вспомогательных устройств (по сравнению, например, с устройством для вырезания элементов электронным лучом). По сравнению с классическими методами микрообработки лазерная микрообработка относительно дешева и в то же время не очень сложна.