Tại sao sự dẫn đường của laser định hình chùm lại cần thiết cho microdrilling với các laser ultrashort-pulse

Khắc laser siêu nhỏ là một trong những ứng dụng về laser được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp. Sự đa dạng của nguồn laser giúp cho việc xử lý trên các vật liệu (kim loại, gốm sứ, chất bán dẫn, polyme, vật liệu hữu cơ, v.v.) dễ dàng, chính xác và tốc độ vượt ngoài mong đợi. Ứng dụng Microdrilling đóng vai trò quan trọng với nhiều ngành công nghiệp như ô tô, hàng không vũ trụ, điện tử, thậm chí trong phẫu thuật laser và công nghiệp thực phẩm. Điển hình như gần đây, nhờ khả năng khoan cắt các lỗ từ tỷ lệ khung hình cao xuống thang đo micromet đã dẫn đến sự phát triển của các đầu phun mới cho ngành công nghiệp ô tô, giúp cải thiện hiệu suất nhiên liệu động cơ lên tới 30%.

Ultrashort-pulse lasers

Chúng có khả năng khoan cắt các lỗ nhỏ hơn, tăng tốc độ khắc, tăng độ chính xác, chất lượng và giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng cho quá trình vận hành, nhờ đó thúc đẩy sản lượng và chất lượng của quy trình công nghiệp. Điều này phù hợp với nhu cầu sản xuất và kéo theo sự phát triển liên tục của các kỹ thuật khắc laser mới. Và một trong những cải tiến lớn nhất là sử dụng các công cụ micromachining xung ultrashort.

Laser ultrashort-pulse là laser dạng xung có bước sóng siêu ngắn, có tốc độ lặp lại cao (lên tới hơn một trăm nghìn xung mỗi giây). Đặc điểm nổi bật của các laser này là chúng tập trung cường độ phát sáng của mạch xung trong một khoảng thời gian siêu ngắn từ một phần triệu triệu giây (10-12 giây) xuống vài chục fs (10-15 giây).

Mỗi mạch xung mang một lượng năng lượng nhất định nhưng vẫn cho phép đạt công suất tối đa (lên đến vài terawatt). Đối với trường hợp laser USP, các mạch xung ngắn và giàu năng lượng đến mức chúng gây ra sự loại bỏ gần như tức thời đến vật liệu bị chiếu xạ. Thay vì loại bỏ vật liệu bằng cách hấp thụ năng lượng của chúng dưới dạng nhiệt như các tia laser thông thường khác, các mạch xung cực nhanh của các tia laser này gây ra sự ion hóa vật chất mà không có các hiệu ứng nhiệt. Hiệu ứng này được gọi là khắc lạnh, cho phép giảm tối thiểu sức ép bên trong, vết nứt và các khiếm khuyết khác thường gây ra bởi sự hấp thụ nhiệt. Laser USP cho phép có thể khoan nhanh tới vài nghìn lỗ trên giây7 với đường kính nhỏ theo yêu cầu (một vài micromet; HÌNH 1). Ngoài ra, nhờ tích hợp việc xử lý hậu kỳ mà laser tốc độ cao có thể mang đến tốc độ sản xuất cao với chi phí thấp 4. Và việc laser USP thương mại ngày càng nhỏ gọn, kinh tế là minh chứng cho việc phổ biến và được ứng dụng nhiều hơn trong công nghiệp.

Mẫu laser đục lỗ bởi femtosecond laser

Mẫu đục lỗ bằng laser femtosecond

Định hình chùm tia laser

Tuy nhiên để thực sự tối đa hóa hiệu suất, chất lượng, độ phân giải và hiệu quả của quy trình, nó cần phải áp dụng công nghệ định hình chùm tia laser thích ứng với từng ứng dụng nhất định. Một chùm tia laser cơ bản có sự phân bố năng lượng theo bề ngang không đồng đều (HÌNH 2), có thể dẫn đến tiêu tốn năng lượng không cần thiết, không chính xác và khắc không đồng đều. Trong khi đó chất liệu, thông số các lỗ khắc, chất lượng khắc và tốc độ sản xuất là những yếu tố cần lưu ý và phải tối ưu hóa bằng cách phân bổ lại cường độ của mạch xung laser trong xử lý chất liệu.

Biểu đồ dạng sóng thể hiện chùm tia laser

Tùy thuộc vào mục đích của từng ứng dụng mà có thể phân chia năng lượng laser đồng đều để định hình chùm tia laser chuyển thành một cấu trúc cụ thể, thậm chí còn tạo ra một số chùm tia để xử lý đồng thời nhiều khu vực 4,5 khác nhau nhằm tăng năng suất hoạt động. Ví dụ, một dạng tia được sử dụng nhiều là cấu trúc đỉnh phẳng (HÌNH 3a) sẽ cho phép thu được một điểm laser có cường độ đồng đều về độ phân giải và độ sâu.6

Một dạng tia thường được sử dụng khác là chùm Bessel, nó cho phép năng lượng lan truyền được tập trung vào một vùng nhỏ nhưng kéo dài trên một khoảng cách dài (HÌNH 3b). Nhờ vậy nó đặc biệt hữu ích trong việc khắc các lỗ có đường kính nhỏ (micromet) với tỷ lệ khung hình cao (các lỗ có tỷ lệ chiều sâu so với đường kính lớn hơn 10: 1). Hình dạng này thường được sử dụng trong việc gia công vật liệu trong suốt8 như thủy tinh hoặc sapphire. Còn đối với những ứng dụng khác thì cần điều chỉnh lại, ví dụ như để gia công các tinh thể quang tử hoặc các thành phần siêu nhỏ của điện tử thì cần sử dụng kỹ thuật in khắc mặt nạ.

Do đó chúng ta cần phải tối ưu hóa quy trình có tích hợp bộ phận định hình chùm tia laser trong các hệ thống microdrilling laser. Có một số công nghệ tạo hình chùm tia, chẳng hạn như các phần tử quang khúc xạ (ROE), các phần tử quang nhiễu xạ (DOE) và bộ điều biến ánh sáng không gian (SLM). Những công nghệ này được áp dụng trong công nghiệp, nhưng tùy thuộc vào ứng dụng mà chúng có xu hướng bị giới hạn về hình dạng, mức độ sâu và có thể làm giảm hiệu suất, giá thành cao.

Gần đây, công nghệ chuyển đổi ánh sáng đa mặt phẳng (MPLC) đã mang đến sự linh hoạt trong việc định hình chùm tia mà vẫn đạt hiệu quả chuyển đổi cao (> 95%). Được CAILabs phát triển từ năm 2013, công nghệ MPLC đã đạt được hiệu quả cao về thông số hình dạng, độ sâu trường ảnh và hiệu quả năng lượng. Nó cho phép tạo ra các hình dạng tiêu chuẩn cho ngành công nghiệp laser, chẳng hạn như cấu trúc đỉnh phẳng và Bessel (Hình 3), cũng như các hình dạng tùy chỉnh khác cho các ứng dụng cụ thể hơn, bất kể bước sóng được sử dụng. Ngoài ra, nó còn các tính năng mới như tạo hình kết hợp của một số chùm tia, cho phép tạo ra các hình dạng phức tạp.

Hướng đến tương lai

Sự phát triển không ngừng của các nguồn laser USP, đặc biệt là những cải tiến về công suất, hiệu quả và chi phí đã giúp cho laser USP trở thành một quy trình ngày càng được ứng dụng nhiều. Được dành riêng cho các ứng dụng tạo mẫu và máy cỡ nhỏ ngay cả với số lượng sản xuất không lớn, kỹ thuật này ngày càng được sử dụng như một phương pháp hàng đầu giúp gia tăng phạm vi ứng dụng, chẳng hạn như sản xuất stent động mạch, tấm nền OLED và đầu phun9 với số lượng lớn, năng suất cao. Điều này nhằm đảm bảo tốc độ sản xuất và chất lượng gia công tối ưu, định hình chùm tia laser tối đa hóa hiệu quả của quy trình. Đây là lý do tại sao cần phải có một công nghệ tạo hình chùm tia có thể đáp ứng những thách thức của các ứng dụng khắc microlaser mới, đi kèm với sự phát triển của quy trình hoạt động.