Ablatia laser este procesul de indepartare a materialului dintr-o substanta solida. Sunt utilizate multe tipuri diferite de lasere, iar tehnica poate fi aplicata practic oricarei clase de materiale – metale, semiconductori, sticla, ceramica, polimeri, lemn, piatra, tesut si alte materiale biologice.
Laserele sunt folosite pentru indepartarea selectiva a materialului intr-o gama extrem de larga de aplicatii – de la productia de ambalaje avansate pentru circuite integrate la remodelarea corneei si la realizarea de indicatoare din plastic. Dar in toate aceste aplicatii diverse, laserele au tendinta de a oferi beneficii similare care le deosebesc de alte tehnologii. Acestea includ:
| Selectivitate spatiala | Aceasta este abilitatea de a indeparta precis materialul intr-o zona predefinita, la o adancime bine controlata si de a produce modele complexe sau detalii fine. |
| Zona afectata de caldura mica (HAZ | In functie de material si tipul laserului, ablatia cu laser poate fi efectuata fara a schimba semnificativ sau a deteriora zona din jurul locului unde are loc indepartarea materialului. |
| Prelucrare non-contact | Deoarece prelucrarea cu laser nu aplica nicio forta mecanica sau presiune asupra piesei de lucru, poate fi folosita pentru piese mici sau delicate. Acest lucru tinde sa reduca cerintele de scule pentru majoritatea aplicatiilor. |
| Flexibilitatea procesului | Ablatia cu laser nu necesita, de obicei, scule specializate si este efectuata aproape intotdeauna sub controlul computerului. Acest lucru il face usor de schimbat. De exemplu, in multe aplicatii de gravare cu laser sau marcare cu laser, fiecare piesa primeste un model sau o marca unica. |
METODE DE ABLATIE CU LASER
In timp ce ablatia cu laser ofera avantaje similare in multe aplicatii, tehnica functioneaza printr-o serie de metode. Acestea depind de tipul laserului, de materialul in sine si de cerintele pentru activitate. In linii mari, toate procesele de ablatie functioneaza prin intermediul interactiunilor fototermice sau fotoablative. Nu este neobisnuit ca intr-un singur proces sa aiba loc o combinatie a ambelor.
Intr-un proces fototermice, materialul este indepartat prin incalzire intensa, limitata spatial. In esenta, substanta este incalzita rapid pana cand materialul este fie evaporat, fie sublimat (transformat direct de la solid la gaz sau plasma, fara a trece printr-o faza lichida intermediara).
Prelucrarea fototermica introduce, in general, o cantitate semnificativa de caldura in piesa de lucru. Prin urmare, nu este folosita de obicei cu parti sensibile la caldura (cu materiale care au conductivitate termica mare) sau cu parti mai mici (unde caldura poate ajunge usor in alte zone ale piesei). Prelucrarea fototermica ofera in general rate relativ rapide de indepartare a materialului, ceea ce o face utila in aplicatiile de productie cu randament ridicat si in cele care acopera zone mari.
A doua metoda – fotoablatia – implica ruperea directa a legaturilor moleculare sau atomice care tin impreuna un material, in loc sa-l incalzeasca. Acesta este un proces „rece”. In general, exista doua moduri de a obtine aceasta rupere a legaturilor.
- Primul se bazeaza pe absorbtia liniara in material a unui foton cu energie mai mare decat energia legaturii chimice. Acest lucru se bazeaza aproape intotdeauna pe laserele cu ultraviolete (UV), deoarece doar fotonii UV furnizeaza suficienta energie pentru ruperea legaturilor in majoritatea solidelor. Acest lucru se datoreaza faptului ca energia fotonului creste pe masura ce lungimea de unda scade, iar lumina UV are o lungime de unda mai scurta decat lumina vizibila sau infrarosu.
- Cel de-al doilea mod de a cauza fotoablatie este cu un laser care are suficienta putere de varf a impulsurilor pentru a genera absorbtie non-liniara. In acest tip de proces „multiphoton”, materialul absoarbe energia laserului chiar daca este in mod normal transparent la acea lungime de unda a laserului. Puterile de varf necesare pentru a genera absorbtia non-liniara pot fi, de obicei, atinse doar utilizand un laser cu impulsuri ultra-scurte (USP).
Fotoablatia este folosita pentru aplicatiile de cea mai mare precizie si cele care necesita cea mai mica zona afectata de caldura (adesea doar cativa microni). Cu toate acestea, ratele de indepartare a materialului sunt in general mult mai mici decat in cazul ablatiei fototermale. De asemenea, sursele USP sunt in general mai mari si mai costisitoare decat laserele utilizate pentru procesele fototermale.
MULTIPLE LASERE PENTRU MULTE APLICATII
Practic toate procesele de taiere si foraj cu laser pot fi considerate ablatie. Cu toate acestea, este util sa limitam discutia la aplicatiile care implica in principal indepartarea selectiva a materialului sau structurarea suprafetei, si nu taierea prin material. O modalitate de a clasifica gama larga de aplicatii de ablatie este in functie de material.
Metale: Ablatia metalica este folosita in multe aplicatii industriale diferite. Unele dintre acestea implica indepartarea unui material strain de pe suprafata unei piese metalice. De exemplu, indepartarea ruginei, coroziunii, vopselei sau a altor acoperiri. Acest lucru poate include si curatarea uleiului, adezivilor sau altor contaminanti nedoriti de pe suprafata unei piese inainte de vopsire, acoperire, lipire sau alte procese.
Ideal, o sursa laser pentru acest tip de ablatie va fi absorbita de substanta straina, dar nu si de metalul de baza. Acest lucru face relativ usor curatarea suprafetei fara niciun risc de a deteriora piesa. In functie de materialele exacte implicate, acest lucru inseamna de obicei utilizarea unui laser cu fibra, CO2 sau laser cu puls de nanosecunde cu cristal solid pompat cu dioda (DPSS).
Pentru gravarea si marcare cu laser a metalelor, care poate fi efectuata in scopuri de marcare industriala sau chiar in scopuri decorative, intentia este de a indeparta material din piesa insasi. Acest lucru se face de obicei cu un laser cu fibra sau cu un laser DPSS cu puls de nanosecunde, de obicei cu iesire in verde sau UV. Acestea sunt folosite in special cu piese mai subtiri, delicate sau sensibile la caldura. Pentru aplicatiile de ablatie a metalelor sensibile la caldura, uneori se foloseste un laser USP.
Semiconductori: Aplicatia principala pentru ablatia cu laser a materialelor semiconductoare este gravarea sau marcare pe discuri in timpul fabricarii de circuite microelectronice. Acest lucru este in mare parte realizat cu lasere DPSS cu puls de nanosecunde cu emisie in verde sau UV, deoarece majoritatea semiconductoarelor sunt cel putin partial transparente la lungimea de unda fundamentala in infrarosu a acestor surse.
Laserele USP sunt uneori folosite pentru microstructurarea de precizie a diferitelor semiconductoare, in principal intr-un mediu de cercetare. Acestea pot fi folosite si pentru indepartarea precisa a materialului in timpul analizei defectelor circuitelor de integrare a productiei (decapsulare).
Sticla: Sticla este folosita intr-o gama extraordinar de larga de aplicatii, iar utilizarea laserelor pentru ablatia sticlei este de asemenea foarte diversificata. Aplicatiile de gravura decorative – cum ar fi personalizarea sau producerea de modele pe pahare, pahare de vin, cesti, sticle si altele – sunt realizate aproape universal cu un laser CO2. Gravarea de mare precizie pe sticla, cat si marcarea produselor si a recipientelor utilizate in industria semiconductorilor, afisajelor si farmaceutica, utilizeaza in mod tipic lasere CO2 sau DPSS cu UV.
O alta aplicatie importanta pentru ablatia sticlei cu laser este productia dispozitivelor „microfluidice”. Acestea sunt substraturi de sticla care contin canale mici (sectiune transversala sub un milimetru) prin care fluxul de fluid poate fi controlat cu precizie. Microfluidica formeaza baza dispozitivelor denumite „lab-on-a-chip” pentru tehnici precum amplificarea PCR si analiza ADN-ului. Laserele DPSS cu UV si USP pot fi folosite pentru ablatia acestor canale cu o precizie ridicata.
In cele mai multe cazuri, laserul este folosit pentru a abla un canal pe suprafata unui substrat de sticla. Acesta este apoi lipit pe o alta bucata de sticla pentru a crea un canal intern. Cu toate acestea, utilizand lasere USP este chiar posibila crearea directa a unui canal intern intr-un substrat solid de sticla. Aceasta este o capacitate unica a laserelor USP.
Polimeri: Polimerii sunt, de asemenea, ablati cu laser in numeroase industrii diferite. De exemplu, ablatia cu laser de inalta precizie este folosita pentru texturarea suprafetelor implanturilor medicale si pentru indepartarea selectiva a acoperirilor polimerice de pe dispozitivele medicale. In ambalajul microelectronic, ablatia cu laser este folosita pentru „trenching” in jurul dispozitivelor „system in package” (SiP) care au fost inchise ermetic intr-o rasina polimerica. Acest lucru se face inainte de separarea in dispozitive individuale. Varietatea mare de polimeri implicati in aceste aplicatii, impreuna cu cerintele diferite pentru viteza de procesare si alti factori, inseamna ca aproape orice tip de laser este folosit pentru ablatia precisa a polimerilor.
Un alt proces important de ablatie a polimerilor este dezizolarea busbar-urilor. Aici, un izolator plastic este indepartat rapid de pe un conductor de cupru folosind un laser CO2.
Gravura si marcarea polimerilor – in special acrilici- este de asemenea larg utilizata in productia de indicatoare pentru interior si exterior. Acest lucru se face din nou aproape in intregime cu sisteme bazate pe lasere CO2. Acestea pot grava si marca materiale organice, inclusiv lemn si piele, precum si piatra.
Tesuturi: Multe proceduri medicale chirurgicale si terapeutice se bazeaza pe ablatia cu laser. Acest lucru include LASIK si PRK, care folosesc ambele un laser excimer pentru ablatie si remodelarea corneei. Peste un milion de astfel de proceduri sunt efectuate in intreaga lume in fiecare an.
Laserele sunt folosite pentru ablatia tesutului moale si dur in multe alte aplicatii chirurgicale si dentare. Acestea includ indepartarea tumorilor, tratamentul hiperplaziei benigne de prostata (BPH), litotripsia (ablatia pietrelor la rinichi), chirurgia maxilofaciala si diferite forme de neurochirurgie.
O varietate de tipuri de lasere DPSS, inclusiv Er:YAG, Nd:YAG, Ho:YAG si lasere cu fibra de tuliu (TFLs) sunt folosite in majoritatea aplicatiilor chirurgicale. Toate aceste lasere produc emisii puternice in infrarosu mijlociu (aproape de un maxim de absorbtie a apei), iar lumina lor poate fi, de asemenea, transmisa prin fibra. Acest lucru permite indepartarea eficienta si foarte selectiva a tesutului cu ajutorul unui instrument chirurgical minim invaziv.
Laserele CO2, care nu pot fi usor transmise prin fibra, sunt larg utilizate in aplicatiile de chirurgie orala si otorinolaringologie. Marele avantaj al laserului CO2 este capacitatea sa de a ablationa si coagula tesutul. Acest lucru reduce pierderea de sange in timpul unei proceduri si faciliteaza recuperarea rapida a pacientului.
COHERENT FACILITEAZA ABLATIA
Coherent sustine aplicatiile de ablatie cu laser de la dezvoltare la productie. Coherent Labs are o experienta extinsa in ablatia a numeroase materiale diferite si dispune practic de fiecare tip de laser disponibil pentru testarea si dezvoltarea retetelor de proces.
Coherent furnizeaza o gama extinsa de produse pentru aplicatii industriale si stiintifice de gravura. Acestea includ practic orice tip de sursa laser, motoare laser OEM (care integreaza un laser, un sistem de livrare a fasciculului si un controler) si masini laser complete si gata de utilizare. Pentru aplicatiile de ablatie medicala, furnizam cristale laser pentru castig si ne-liniare, fibre pentru livrarea fasciculului laser si ansambluri complete de fibra optica pentru producatorii de lasere medicale si sisteme chirurgicale complete.
