Laserová ablace

Co je laserová ablace?

Laserová ablace je proces odstraňování materiálu z pevné látky. Používá se mnoho různých typů laserů a tuto techniku lze použít prakticky na všechny třídy materiálů - kovy, polovodiče, sklo, keramiku, polymery, dřevo, kámen, tkáně a další biologické materiály.

Máte zájem o tuto aplikaci? Potřebujete radu?

Kontaktujte nás

Lasery se používají k selektivnímu odstraňování materiálu v mimořádně širokém spektru aplikací - od výroby moderních obalů integrovaných obvodů přes přetváření rohovky až po výrobu plastových značek. Ve všech těchto rozmanitých aplikacích však lasery obvykle přinášejí podobné výhody, které je odlišují od jiných technologií. Patří mezi ně:

Prostorová selektivita	Jedná se o schopnost přesně odstraňovat materiál na předem definované ploše do dobře kontrolovatelné hloubky a vytvářet složité vzory nebo jemné detaily.
Malá tepelně ovlivněná zóna (HAZ)	V závislosti na materiálu a typu laseru lze laserovou ablaci provádět, aniž by se výrazně změnilo nebo poškodilo okolí místa, kde dochází k odstraňování materiálu.
Bezkontaktní zpracování	Vzhledem k tomu, že laserové zpracování nepůsobí na obrobek žádnou mechanickou silou ani tlakem, lze jej použít na malé nebo křehké díly. To také pro většinu aplikací snižuje nároky na nástroje.
Flexibilita procesu	Laserová ablace obvykle nevyžaduje specializované nástroje a téměř vždy se provádí pod počítačovým řízením. Díky tomu je možné ji snadno měnit. Například v mnoha aplikacích laserového leptání nebo gravírování dostává každý jednotlivý díl jedinečný vzor nebo značku.

Metody laserové ablace

Laserová ablace přináší podobné výhody v mnoha aplikacích, ale tato technika funguje pomocí celé řady metod. Ty závisí na typu laseru, samotném materiálu a požadavcích úlohy. Obecně však lze říci, že všechny ablační procesy fungují na základě fototermické nebo fotoablační interakce. Není neobvyklé, že v rámci jednoho procesu dochází ke kombinaci obou.

Fototermický proces

Při fototermickém procesu se materiál odstraňuje intenzivním, prostorově omezeným ohřevem. Látka je v podstatě rychle zahřívána, dokud nedojde k vyvaření nebo sublimaci materiálu (přímé přeměně z pevné látky na plyn nebo plazmu, aniž by prošla přechodnou kapalnou fází). Při tomto způsobu zpracování zpracování se do obrobku obvykle dostává značné množství tepla. Proto se obvykle nepoužívá u dílů citlivých na teplo (materiály, které mají vysokou tepelnou vodivost) nebo u menších obrobků (kde se teplo může snadno dostat i do jiných oblastí dílu). Fototermické obrábění obvykle nabízí relativně rychlý úběr materiálu, díky čemuž je užitečné ve vysoce výkonných výrobních aplikacích a aplikacích, které pokrývají velké plochy.

Fotoablace

Druhá metoda - fotoablace - spočívá v přímém rozbíjení molekulárních nebo atomárních vazeb, které drží materiál pohromadě, spíše než v jeho zahřívání. Jedná se tedy o "studený" proces. Obecně existují dva způsoby, jak tohoto přerušení vazby dosáhnout.

První metoda fotoablace spočívá v lineární absorpci fotonu v materiálu, který má větší energii, než je energie chemické vazby. Prakticky vždy se jedná o ultrafialové (UV) lasery, protože pouze UV fotony poskytují dostatečnou energii pro rozrušení vazby ve většině pevných látek. Je to proto, že energie fotonu roste s klesající vlnovou délkou a UV světlo má kratší vlnovou délku než viditelné nebo infračervené světlo.
Druhým způsobem, jak způsobit fotoablaci, je použití laseru, který má dostatečně vysoký špičkový výkon pulzu, aby vyvolal nelineární absorpci. Při tomto druhu "multifotonového" procesu materiál absorbuje energii laseru, i když je za normálních okolností při dané vlnové délce laseru pro laserový parsek průhledný. Špičkových výkonů potřebných k vyvolání nelineární absorpce lze obvykle dosáhnout pouze pomocí ultrakrátkých pulzů (USP).

Fotoablace se používá pro nejpřesnější aplikace a aplikace, které vyžadují nejmenší HAZ (často jen 10 mikrometrů). Rychlost úběru materiálu je však obecně mnohem nižší než u fototermické ablace. Navíc jsou laserové zdroje USP obvykle větší a dražší než lasery používané pro fototermické procesy.

Mnoho laserů pro nesčetné aplikace

Prakticky všechny procesy laserového řezání a vrtání lze považovat za ablaci. Pro naše účely však pojem laserová ablace omezíme pouze na na aplikace zahrnující selektivní odstraňování materiálu nebo strukturování povrchu, nikoliv na průchozí řezání. Jedním ze způsobů, jak rozdělit širokou škálu ablačních aplikací, je kategorizace podle materiálu.

Laserová ablace kovů

Ablace kovů se využívá v mnoha různých průmyslových aplikacích. Některé z nich zahrnují odstranění cizího materiálu z povrchu kovové součásti. Například ablace rzi, koroze, barvy nebo jiných povlaků. Může jít také o čištění povrchu dílu od oleje, lepidel nebo jiných nežádoucích nečistot před lakováním, nanášením nátěrových hmot, lepením nebo jinými procesy.

V ideálním případě bude laserový zdroj pro tento typ ablace absorbován cizí látkou, ale ne podkladovým kovem. To umožňuje relativně snadné čištění povrchu bez rizika poškození dílu. V závislosti na konkrétních materiálech to obvykle znamená použití vláknového laseru, laseru CO2 nebo laseru s nanosekundovou šířkou pulzu čerpaného diodou a pevnou látkou (DPSS).

Při laserovém leptání a gravírování kovů, které lze provádět pro průmyslové značení nebo dokonce pro dekorativní účely, je záměrem odstranit materiál ze samotného dílu. To se obvykle provádí vláknovým laserem nebo nanosekundovým laserem DPSS, obvykle s výstupem v zelené nebo UV oblasti. Posledně jmenované lasery se používají zejména u tenčích, jemných nebo na teplo citlivých dílů. Pro nejcitlivější aplikace ablace kovů citlivých na teplo se někdy používá laser USP.

Laserová ablace polovodičů

Hlavní aplikací laserové ablace polovodičových materiálů je leptání nebo gravírování značek na destičkách při výrobě mikroelektronických obvodů. K tomu se většinou používají nanosekundové DPSS lasery s výstupem v zelené nebo UV oblasti, protože většina polovodičů je alespoň trochu průhledná při infračervené základní vlnové délce těchto zdrojů.

USP se někdy používají k přesnému mikrostrukturování různých polovodičů, většinou ve výzkumném prostředí. Mohou být také použity pro přesné odstraňování materiálu při analýze poruch výrobních integračních obvodů (dekapsulace).

Laserová ablace skla

Sklo se využívá v mimořádně široké škále aplikací a použití laserů pro ablaci skla je podobně rozmanité. Aplikace dekorativního leptání - jako je personalizace nebo výroba vzorů na sklenicích na pití, pohárech na víno, hrníčcích, lahvích a dalších - se téměř univerzálně provádějí pomocí laseru CO2. Úlohy leptání skla s vyšší přesností, včetně značení výrobků a nádob používaných v polovodičovém, zobrazovacím a farmaceutickém průmyslu, obvykle využívají buď CO2, nebo UV DPSS lasery.

Další důležitou aplikací laserové ablace skla je výroba "mikrofluidních" zařízení. Jedná se o skleněné substráty obsahující malé kanálky (submilimetrový průřez), kterými lze přesně řídit průtok tekutin. Mikrofluidika je základem takzvaných "laboratoří na čipu" pro techniky včetně amplifikace PCR a analýzy DNA. K ablaci těchto kanálků s vysokou přesností lze použít UV lasery DPSS a USP.

Nejčastěji se laser používá k ablaci kanálu na povrchu skleněného substrátu. Ten je pak spojen s dalším kusem skla, čímž se vytvoří vnitřní kanál. Pomocí laserů USP je však možné vytvořit vnitřní kanál i přímo v pevném skleněném substrátu. To je jedinečná schopnost laserů USP.

Laserová ablace polymerů a plastů

Polymery se také ablují laserem v mnoha různých průmyslových odvětvích. Vysoce přesná laserová ablace se například používá k texturování povrchů lékařských implantátů a k selektivnímu odstraňování polymerních povlaků z lékařských přístrojů. V obalech pro mikroelektroniku se laserová ablace používá k "rýhování" kolem zařízení typu SiP (system in package), která jsou zapouzdřena v polymerní pryskyřici. To se provádí před singulací (rozdělením na jednotlivá zařízení). Široká škála polymerů, které se v těchto aplikacích používají, spolu s různými požadavky na rychlost procesu a dalšími faktory znamená, že se pro přesnou ablaci polymerů používají téměř všechny typy laserů.

Dalším důležitým procesem ablace polymerů je odstraňování izolace přípojnic. Zde se pomocí CO2 laseru rychle odstraňuje plastový izolátor z měděného vodiče.

Leptání a gravírování polymerů - zejména akrylátů - se také hojně využívá při výrobě vnitřních i venkovních nápisů. I zde se téměř výhradně používají systémy založené na laseru CO2. Těmi lze leptat a gravírovat i organické materiály, včetně dřeva a kůže, a také kámen.

Laserová ablace tkání

Řada chirurgických a terapeutických lékařských zákroků se opírá o laserovou ablaci. Patří mezi ně LASIK a PRK, které využívají excimerový laser k ablaci a přetvoření rohovky. Ročně se na celém světě provede více než milion těchto zákroků.

Lasery se používají k ablaci měkkých i tvrdých tkání v mnoha dalších chirurgických a stomatologických aplikacích. Patří mezi ně odstraňování nádorů, léčba benigní hyperplazie prostaty (BPH), litotrypse (ablace ledvinových kamenů), maxilofaciální chirurgie a různé formy neurochirurgie.

Pro většinu chirurgických aplikací se používají různé typy laserů DPSS, včetně Er:YAG, Nd;YAG, Ho;YAG a thuliových vláknových laserů (TFL). Všechny tyto lasery produkují vysoký výkon ve středním infračerveném pásmu (které je blízko absorpčního vrcholu vody) a jejich světlo lze přenášet vlákny. To umožňuje účinné a vysoce selektivní odstranění tkáně pomocí minimálně invazivního chirurgického nástroje.

CO2 lasery, které se nedají snadno přenášet vláknem, se hojně využívají v aplikacích v ústní chirurgii a otorinolaryngologii. Velkou výhodou CO2 laseru je jeho schopnost ablace i koagulace tkáně. To snižuje krevní ztráty během zákroku a usnadňuje rychlé zotavení pacienta.

Coherent usnadňuje ablaci

Společnost COHERENT podporuje aplikace laserové ablace od vývoje až po výrobu. Laboratoře COHERENT mají rozsáhlé zkušenosti s ablací mnoha různých materiálů a mají k dispozici prakticky všechny typy laserů, na kterých lze testovat a vyvíjet procesní postupy.

Společnost COHERENT dodává rozsáhlou řadu produktů pro průmyslové a vědecké aplikace leptání. Patří sem prakticky všechny typy laserových zdrojů, laserové subsystémy OEM (které integrují laser, systém pro přenos paprsku a řídicí jednotku) a kompletní laserové stroje na klíč. Pro lékařské ablační aplikace dodáváme výrobcům lékařských laserů a kompletních chirurgických systémů laserové zesilovací a nelineární krystaly, vlákna pro přenos paprsku a kompletní sestavy optických vláken.