Главная / Библиотека / Сравнение результатов лазерной обработки CO2 и эксимерными лазерами

Сравнение результатов лазерной обработки CO2 и эксимерными лазерами

Сравнение результатов лазерной обработки CO2 и эксимерными лазерами

CO2 лазеры с поперечной накачкой (TEA CO2) имеют высокие пиковые мощности и составляют достойную альтернативу дорогостоящим эксимерным лазерам для прецизионной обработки полимерных материалов, медицинских инструментов хирургии, микроэлектронных компонентов и печатных плат.

Лазерная абляция
Абляция – испарение материала с поверхности объекта под воздействием лазерного излучения. Малая мощность короткого лазерного импульса (длина 20 нс у традиционных эксимерных источников, несколько фс – у лазеров на
CO2) позволяет испарять или сублимировать вещество в виде свободных молекул. Импульсная абляция позволяет более эффективно обработать материал и снизить рассеяние энергии в окружающую среду, при этом кромки образцов будут иметь более острую форму, чем при обработке непрерывным лазерным излучением.

Ранее было принято считать, что CO2 лазеры не используются для абляции. Однако в последние годы это утверждение все чаще становится предметом споров: недавно CO2 лазеры стали использовать для удаления тонкого слоя полимера с металлических изделий (селективной абляции), при этом значительно снизились временные и материальные затраты, а также удалось минимизировать зону теплового воздействия на окружающие области. Металл полностью отражает ИК излучение, потому практически исключена вероятность его повреждения.

Параметры источника для лазерной абляции
Плотность энергии излучения
CO2 лазера, необходимая для абляции большинства полимерных материалов, варьируется в диапазоне от 5 до 20 Дж/см2. При оценке эффективности следует учесть, что при единичном импульсе глубина удаления материала составляет в среднем 20 мкм. Максимальная глубина удаления материала CO2 лазером составляет около 60 мкм при плотности энергии излучения 50 Дж/см2. Такие параметры характерны для лазерных аппаратов в фармацевтическом производстве.

Плотность энергии излучения эксимерных лазеров варьируется в диапазоне от 2 до 4 Дж/см2. Большинство полимерных материалов имеют общее свойство – высокое поглощение излучения УФ диапазона. Снизить потери на поглощение необходимо для стабилизации глубины абляции на среднем уровне (20 мкм) за импульс. Эксимерные УФ лазеры обеспечивают среднюю глубину испарения материала с поверхности на уровне 0.2 мкм за импульс.

CO2 лазер позволяет удалить большее количество материала за короткое время. Высокой точности в абляции удается достичь в основном с помощью эксимерных источников из-за их свойств:

Высокое качество кромки. Малая зона термического воздействия, короткие импульсы, УФ излучение (высоким поглощением которого характеризуются многие полимерные материалы) – пожалуй, самые главные преимущества эксимерных лазеров, которые становятся ключевыми в выборе источника для прецизионной обработки.

Малый диаметр перетяжки. Как известно, чем длиннее волна, тем выше расходимость пучка. Снизив влияние дифракции в
CO2 лазере, удается достичь стабильного диаметра перетяжки пучка лишь на уровне 100 мкм. Использование высококачественной оптики позволяет уменьшить диаметр ещё до 50 мкм. Эксимерные лазеры излучают в коротковолновой области, а потому расходимости почти не наблюдается: диаметр перетяжки не превышает и нескольких микрон, а в лазерной литографии диаметр измеряется долями микрона.

comparision-holes-co2-excimer
Рисунок 1. 300-микронные отверстия на поверхности полиимида (снимок сделан в лаборатории предприятия LightMachinery)

Металлические диафрагмы
Несмотря на известные методы снижения расходимости лазерных пучков, дифракционные эффекты нельзя ликвидировать полностью. Работа как с CO2, так и с эксимерными лазерами сопровождается сложностью фокусировки излучения в пятно, например, на небольшое гальваническое зеркало. Возможное решение – использование тонких металлических диафрагм «трафаретов». Они размещаются по траектории распространения излучения (рис.2).

laser-mask-imaging

Рисунок 2. Схема включения металлической диафрагмы

Выбор рабочего диапазона
Обычный
CO2 лазер излучает волны длиной 10.6 мкм. Для генерации волн иной длины необходима специализированная резонаторная оптика с высоким порогом повреждения.

В 1986 году J.H. Brannon и J.R. Lankard исследовали поглощение электромагнитных волн различными полимерными материалами, среди которых особенно выделились полиимиды – класс полимеров, содержащих в основной цепи имидные циклы. В отличие от большинства полимеров, эти образцы демонстрировали высокое поглощение более коротких волн, чем традиционные (9.3 мкм вместо 10.6 мкм). Впоследствии это свойство стали использовать для изготовления термостойких волокон – изделия на основе полиимидов выдерживают длительную эксплуатацию при температуре 250-300 градусов, в отдельных случаях и выше. Однако достижение высокой точности и качества обработанной поверхности такого материала при обработке представляет сложную технологическую задачу.

Решение – лазеры LightMachinery IMPACT. Рабочий диапазон излучения этой серии содержит длину волны 9.3 мкм, что идеально подходит для обработки неплавких термостойких полимеров.

Промышленная обработка материалов  
Лазеры TEA CO2 для промышленности стандартизируются, как и эксимерные источники, не уступая по параметрам: средняя мощность TEA CO2 лазеров составляет от нескольких десятков до сотен ватт, области применения не менее разнообразны: зачистка проводов, изготовление катетеров и зондов, прецизионная абляция полимеров для медицины, электроники и печатных плат.

Преодолеть ограничение мощности эксимерных источников практически невозможно, потому в некоторых приложениях CO2 лазеры становятся единственным возможным решением: обработка фармацевтических капсул, очистка пресс-форм, в автомобильной промышленности - удаление изношенных антикоррозионных покрытий на концах гидравлических тормозных магистралей,

Зачистка проводов
При подключении или монтаже оборудования нужна зачистка проводов от изоляции на отдельных участках, чтобы в контактных группах обеспечить хорошее сопряжение. Долгое время для зачистки применялись только эксимерные лазеры.
 Основным недостатком таких источников является большая энергоемкость процесса (количество затрачиваемой энергии излучения на единицу массы удаляемого материала), что приводит к низкой производительности процесса очистки. Сегодня для зачистки проводов все чаще обращаются к CO2 лазерам – их стоимость значительно ниже, а свойства не уступают традиционным эксимерным источникам.

Рисунок 3. Фрагмент многожильного кабеля с изоляцией. Снятие изоляции проводилось с помощью COлазера (снимок сделан в лаборатории предприятия LightMachinery)

.

Рисунок 4. Одножильный провод с изоляцией на основе полиимида. Снятие проводилось с помощью CO2 лазера (снимок сделан в лаборатории предприятия LightMachinery)

Важные особенности и границы применений
Несмотря на перечисленные свойства и преимущества
CO2 лазеров перед эксимерными источниками, нельзя утверждать об их полной взаимозаменяемости. Карбондиоксидные лазеры излучают более длинные волны, поглощение которых в полимерах относительно невелико – это оптимально для создания тонких пленок на поверхности толщиной 1-2 мкм или для удаления тонкого слоя полимеров. Мощности такого лазера не хватит для снятия обжима клемм и изоляции, возникнут неудобства при попытке очистить запаянный провод. После обработки карбондиоксидным лазером остаточный слой удаляется химическим промыванием (обычно раствором перманганата) – этот метод широко применяется в разработке печатных плат.

Однако химическое воздействие на материал недопустимо в производстве медицинских изделий, и одно из решений в этом случае – применение аппаратов, содержащих сразу два типа лазеров: COи эксимерный. Обработка медицинских инструментов производится также в два этапа – остатки полимеров удаляются эксимерным лазером, эффективность обработки достигается главным образом за счет второго источника.

Стоимость

CO2 и эксимерный лазер, излучающие волны одинаковой мощности, различаются в стоимости почти в 2 раза, еще большее различие проявляется в расчете стоимости работы: один цикл эксплуатации эксимерного лазера мощностью 80-100 Вт (средний показатель) обойдется дороже 20$. При этом учтена стоимость рабочего газа, запасных частей – лазерных трубок, срок службы которых рассчитан на 1-2 миллиарда импульсов. Эксплуатационные расходы на COлазер составят менее 2$ в час. Благодаря значительно более низкой стоимости работы и высокой производительности, CO2 источники привлекательны для промышленной отрасли.

Отметим также, что и затраты на установку, комплектующие для этого вида обойдутся значительно дешевле.

Не стоит забывать и о том, что в отличие от практически безвредного углекислого газа, в эксимерных лазерах в качестве активной среды применяются токсичный и едкий газ, фтор. Это может представлять проблему для здоровья и безопасности людей. Хранение такого оборудования возможно только в специальных вентилируемых шкафах.

Выводы

Показатель

Эксимерный лазер

CO2 лазер

Рабочий диапазон

УФ область

Средний ИК

Скорость обработки

Низкая

Высокая

Глубина обработки

Высокая

Средняя

Минимальный диаметр пучка

1 мкм и менее

~50 мкм

Селективное удаление полимеров с металла

Редко применяется

Широко применяется

Качество кромки

Высокое

Высокое

Создание тонких пленочных покрытий

Часто применяется

Реже применяется

Общая стоимость

Высокая

Ниже на 50%

Эксплуатационная стоимость

Высокая

Ниже на 10%

Затраты на установку

Высокая

Нет


Экономическая выгодность лазеров на CO2 становится причиной дискуссий. Продолжается тенденция замены эксимерных лазеров на более компактные, безопасные и производительные CO2 лазеры. Конечно, выбор определяется прежде всего конкретным приложением и замена возможна не во всех случаях, что всегда подтверждается на практике.

 

© LightMachinery Inc.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции LightMachinery на территории РФ

 

 

Последние статьи
Объемные брэгговские решетки в лазерных резонаторах

В статье приводится обзор последних достижений в разработке дифракционных оптических элементов - решеток Брэгга, записанных на фототерморефрактивных (ФТР) стеклах. Группа из колледжа оптики и фотоники при Университете центральной Флориды представила экспериментальные результаты, отражающие изменения параметров выходного лазерного излучения при использовании брэгговских решеток, записанных на ФТР стекле. 

Применение квантово-каскадных лазеров в абсорбционной спектроскопии

Спектроскопические методы, основанные на использовании лазерных источников, имеют большой потенциал для выявления и мониторинга компонентов в газовой фазе. Высокая чувствительность и селективность лазера позволяет использовать их для количественной оценки атомов и молекул в образце. Квантово-каскадные лазеры, излучающие в области среднего ИК диапазона, обеспечивают высокое разрешение и позволяют идентифицировать спектр молекул в газовых образцах и в парах воды.

Спектроскопия тонкопленочных покрытий

Тонкие пленки используются в современных высокотехнологичных полупроводниковых структурах, микроэлектронике, матричных приемниках и, конечно, в оптике. Развитие знаний о свойствах материалов позволило науке совершить настоящий прорыв. Конечное применение тонкопленочных структур может быть разнообразным, но постоянной остается необходимость точного контроля толщины каждого слоя в процессе эпитаксиального роста. Толщина пленки обычно находится в диапазоне от 1 нм до 100 мкм.

Компенсация дисперсии в микроскопии трехфотонного возбуждения

Трехфотонная микроскопия – усовершенствованный метод двухфотонной микроскопии, в котором используется не двух-, а трехфотонное возбуждение в диапазоне 1300 – 1700 нм.  Увеличение длины волны возбуждающего лазерного излучения до 1700 нм позволяет сократить рассеяние и поглощение в тканях, ограничивающих глубину поля зрения, однако методы компенсации дисперсии в многофотонной микроскопии по-прежнему остаются актуальной темой исследований в современной фотонике.

Спектрометры Avantes для лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии

Лазерно-искровая эмиссионная спектроскопия (ЛИЭС) – один из типов атомно-эмиссионного спектрального анализа. Методом ЛИЭС изучаются спектры плазмы лазерного пробоя (лазерной искры) в анализе твердотельных образцов, жидкостей, газовых сред, взвешенной пыли и аэрозолей.

У Вас особенный запрос?
У Вас особенный запрос?
Весьма часто наши заказчики лучше нас знают, какое оборудование им нужно. В этом случае мы берём на себя общение с производителем, доставку и таможенную очистку, а также все вопросы гарантийного периода. Пожалуйста, заполните эту форму, и мы свяжемся с Вами, чтобы помочь решить любую Вашу задачу. Или позвоните нам по телефону +7(495)199-0-199
Форма заявки
Ваше имя: *
Ваше имя
Ваш e-mail: *
Ваш телефон: *
Ваш телефон
Наши
контакты
г. Москва, ул. Бутлерова, д. 17Б, офис 502

г. Санкт-Петербург, Коломяжский проспект, 33 корпус 2