jump to navigation

Ultrashort pulsed lasers กับคุณภาพงานตัดที่ดีกว่าเดิม October 13, 2010

Posted by viboon in : Manufacturing technologies , add a comment

ในทุกๆ ปี ชิ้นส่วนขนาดเล็กต่างๆ ถูกผลิตมากขึ้นเรื่อยๆ เพิ่มตอบสนองความต้องการในการผลิตเครื่องมือหรือผลิตภัณฑ์ต่างๆ ที่มีแต่จะเล็กลงและมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น ในกระบวนการผลิตด้วยเลเซอร์ในแบบดั้งเดิมนั้น บางครั้งไม่สามารถที่จะผลิตชิ้นส่วนให้ได้ตรงตามความต้องการ เช่น การผลิตชิ้นส่วนขนาดเล็กที่มีความซับช้อนมาก และการผลิตที่สามารถให้พื้นผิวงานตัดที่สะอาดโดยไม่ต้องผ่านกระบวนการทำความสะอาดผิวหลังการตัดให้ยุ่งยาก

ความท้าทายนี้เป็นเป้าหมายหนึ่งของกระบวนการตัดวัสดุในระดับไมครอนด้วยเลเซอร์ ซึ่งได้มีการพัฒนาเลเซอร์ที่เปล่งแสงออกมาด้วยคาบเวลาในระดับ picosecond (ps) และ femtosecond (fs) โดยรู้จักกันในชื่อ ultrashort pulsed lasers หรือ ultrafast-pulse lasers (UFPLs) ด้วยคาบเวลาการฉายแสงที่สั้นมากๆ นี้ ทำให้พลังงานถูกส่งตรงไปเนื้อวัสดุ ไปทำลายพันธะในระดับอะตอมที่ยึดเกาะกันด้วยพันธะโลหะ ให้หลุดออก เป็นผลให้วัสดุระเหยออกไปอย่างรวดเร็วโดยปราศจากผลกระทบทางความร้อนในบริเวณข้างเคียง

การใช้เลเซอร์ที่มีคาบเวลาในการฉายแสงยาวๆ นั้น พลังงานที่เป็นผลมาจากการแผ่รังสีไม่มากพอที่จะทำให้วัสดุระเหยออกในทันทีที่ถูกฉายด้วยเลเซอร์ ซึ่งทำให้เกิดการสะสมของความร้อน และความร้อนที่ตกค้างภายในเนื้อวัสดุทำให้เกิดบริเวณกระทบร้อนหรือ heat-affected zone (HAZ) ด้วยเหตุนี้เอง การใช้เลเซอร์ที่ให้คาบการฉายแสงที่สั้นกว่าจะทำให้สามารถตัดวัสดุได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม เลเซอร์ที่ให้คาบการฉายแสงสั้นมากๆ นั้น จะมีความซับซ้อนและราคาที่สูงกว่าเลเซอร์ทั่วไป

เลเซอร์ส่วนใหญ่ที่ถูกใช้ในอุตสาหกรรมการตัดวัสดุจะให้คาบเวลาในการฉายแสงอยู่ในระดับ nanosecond แต่ก็เริ่มมีการนำเอา picosecond and femtosecond lasers เข้ามาใช้มากขึ้นเนื่องจากสามารถให้คุณภาพงานตัดที่ดีกว่า โดยเฉพาะในการขึ้นรูปโครงสร้างที่มีความซับซ้อนขนาดเล็ก พลังงานของเลเซอร์ที่ใช้ใน ultrashort pulsed lasers จะอยู่ในระดับ mJ แต่เมื่อพิจารณา peak power ของ 10-fs pulsed laser แล้ว พบความ peak power ที่ได้สูงถึง 100 GW หรือเปรียบได้เท่ากับที่ได้จากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขนาดใหญ่ 100 เครื่อง และเมื่อพิจารณาขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของเลเซอร์ ยกตัวอย่างเช่น ขนาด 4 ไมครอน พลังงานที่ได้มีค่ามหาศาลมากซึ่งสูงในระดับ Terawatt หรือ 1012 W

ข้อดีของ ultrashort pulsed lasers คือความสามารถในการตัดวัสดุที่ให้ผลกระทบทางความร้อนน้อยมากหรือแทบไม่มีเลย และยังให้ความสามารถให้การตัดขึ้นรูปวัสดุได้ในระดับที่เล็กมากๆ โดยไม่ต้องคำนึงถึงคุณสมบัติด้านแสงและความยาวคลื่นเลเซอร์ที่ฉายของวัสดุตัด อย่างการใช้เลเซอร์ที่ให้คาบการฉายแสงที่ยาวกว่า

คำถามที่น่าสนใจคือว่า “แล้วคาบการฉายของเลเซอร์สั้นเท่าไหร่ถึงจะดี?”

การที่จะตอบคำถามนี้ ต้องมาดูปัจจัยด้านการถ่ายเทความร้อนเสียก่อน อันแรกคือ การดูดซับพลังงานของวัสดุ (absorption) ซึ่งโดยมากจะอยู่ที่ประมาณ 1 fs และอีกปัจจัยคือ การถ่ายเทความร้อนใต้ผิววัสดุที่ถูกฉายด้วยเลเซอร์ (subsurface heat transfer) ซึ่งการถ่ายเทความร้อนในระดับไมครอนนี้จะเกิดเร็วมาก อยู่ที่ราวๆ 1 ถึง 10 ps หรืออาจสรุปง่ายๆ ก็คือว่า หากต้องการตัดวัสดุด้วยเลเซอร์โดยไม่ต้องการให้เกิดผลกระทบทางความร้อนบนเนื้อวัสดุ คาบการฉายแสงควรอยู่ในช่วง 1 ถึง 100 fs หรืออย่างน้อย ต้องน้อยกว่า 1 ps

หากพิจารณาให้ละเอียดขึ้นในแง่ของวัสดุ ความลึกของการแพร่ทางความร้อน (thermal diffusion depth) ต้องน้อยกว่า optical skin depth ของวัสดุ ซึ่งประมาณคร่าวๆ ด้วย

Thermal diffusion depth = (Thermal diffusivity)*(Pulse duration)

และสำหรับการตัดแบบปราศจากความร้อน

Thermal diffusion depth << Optical skin depth หากพิจารณาขนาดของ HAZ นั้น ก็อาจประมาณให้มีขนาดเท่ากับ Thermal diffusion depth ก็ได้ และในขณะที่กำลังเขียนบทความนี้ Attosecond laser (10-18 s) ก็เริ่มมีใช้บ้างแล้วในห้องปฏิบัติการด้านฟิสิกส์อย่างที่ Max Planck Society ประเทศเยอรมันนี

รูปประกอบจาก: http://www.micreon.de/en/intertechnologie.shtml


Tags: , , , , , , ,

Related posts:

วารสารส่งเสริมเทคโนโลยี ฉบับที่ 213 September 27, 2010

Posted by viboon in : Manufacturing technologies , add a comment

ในรอบ 60 ปีที่ผ่านมา เทคโนโลยีเลเซอร์ได้ถูกคิดค้นพัฒนามาอย่างต่อเนื่อง และผลิกโฉมหน้าไม่เพียงแต่วงการวิทยาศาสตร์เท่านั้น ยังส่งผลกระทบอย่างมากต่อเทคโนโลยีการผลิตและเป็นโมเมนตัมที่สำคัญตัวหนึ่งที่ก่อให้เกิดกระบวนการตัดวัสดุและการขึ้นรูปขั้นสูง จากเทคโนโลยีการผลิตในระดับมาโคร (macro) สู่ ระดับไมโคร (micro) และนาโน (nano) การพัฒนาและแนวคิดเบื้องต้นด้านเทคโนโลยีแสง วัสดุศาสตร์และวิศวกรรมของ laser micromachining มีประเด็นใดที่น่าสนใจบ้าง

ติดตามอ่านได้ที่ “Laser Micromachining เทคโนโลยีการผลิตแห่งศตวรรษที่ 21 (ตอนจบ)” วารสารส่งเสริมเทคโนโลยี ฉบับที่ 213 (ตุลาคม-พฤศจิกายน 2010)

ขอขอบคุณบรรณาธิการวารสารส่งเสริมเทคโนโลยีไว้ ณ ที่นี้ด้วยครับ


Tags: , , , , ,

Related posts:

Femtosecond-pulsed laser for microfabrication process May 8, 2010

Posted by viboon in : Manufacturing technologies , add a comment

Due to the enormous peak power in the range of MW and the moderate average power, femtosecond-pulsed laser is an effective tool for fabricating parts in micro and submicro levels. By focusing the light down to focal spot in the micrometer range, the ultrafast laser is turned into a high precision tool. When applied to various materials this results in remarkably clean ablation properties due to the ionization and vaporization of the material quickly before thermal effects such as heat diffusion can occur. Even delicate materials can be processed. Further, the high pulse repetition rates of tens or hundreds of MHz support fast processing speed and uninterrupted operation. Tool deterioration and reproducibility is not an issue, since light is not getting blunt. However, real world industrial applications of femtosecond lasers are at the very beginning. At present nanosecond and picosecond lasers with repetition rates in the kHz range are the first choice for applications like molding, cutting or marking.

The femtosecond lasers can be an excellent alternative for some of the applications is shown in the lithography system “Photonic Professional”. Based on direct laser writing it offers a new level in precise manufacturing of 3D nano- and microstructures.

The direct laser writing process makes use of laser pulses with energy below the absorption threshold of the photosensitive material. The illuminated material is transparent for the light. Only by focusing the ultrashort light pulses to a small focal spot, multi photon absorption processes in a very localized volume can be triggered. Hence, a chemical modification of this area can be occurred by baking process and subsequently leads to a local polymerization. The process allows engineering almost arbitrary 3-dimensional structures out of various photosensitive materials such as SU-8, Ormocere, PDMS, and chalcogenide glasses. Furthermore, these 3D structures can act as templates for replication (positive – positive) or inversion (positive – negative) processes into other materials like e.g. silica, and silicon. The laser lithography system routinely achieves 150 nm linewidth in a sample volume of 300x300x80 µm. Main applications include the engineering of 3D photonic crystal structures, and the generation of 3D scaffolds for biology, micro- and nanofluidic circuitry.

Ref: http://www.menlosystems.com/home/applications/micromachining.html


Tags: , ,

Related posts:

Femtosecond laser "เลเซอร์เย็น" September 5, 2009

Posted by viboon in : Manufacturing technologies , add a comment

page10_1

Femto- คือ 10-15 วินาที Laser ก็คือแสงความเข้มสูงที่แผ่รังสีโดยการกระตุ้น รวมๆ กันก็คือ เลเซอร์ที่ยิงออกมาภายในระยะเวลา 10-15 วินาที หรือพูดให้เข้าใจง่ายขึ้นหน่อยก็คือว่า เลเซอร์ เปิด-ปิด อย่างรวดเร็วภายในระยะเวลาสั้นๆ แต่ไม่ได้ยิงออกมาแค่ครั้งเดียวนะครับ ยิงออกมาหลายครั้ง อาจจะ 500 ครั้งต่อวินาที ไปจนถึง หลายล้านครั้งต่อวินาที

Femtosecond laser ก็คือ pulsed laser ที่นิยมนำมาใช้ในงานหลายๆ ด้าน เพราะเหตุที่ว่า การฉายเลเซอร์ในระยะเวลาอันแสนสั้น สามารถลดขนาดของบริเวณกระทบร้อน Heat-affected zone ไปได้อย่างมาก หรือแทบจะไม่มีเลย บางครั้งก็เรียกว่าเป็นเลเซอร์เย็น หรือ Cold laser พื้นผิววัสดุที่ถูกยิงด้วย femtosecond laser จะมีอุณหภูมิสูงขึ้นอย่างรวดเร็วในระยะเวลาสั้นๆ จนระเหยกลายไปไอแทบจะในทันที และเย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว femtosecond laser จึงได้รับความนิยมในงาน material processing สำหรับวัสดุที่ไวต่ออุณหภูมิอย่างมาก และความเสียหายจากความร้อนเป็นเรื่องที่สำคัญที่ต้องกำจัดออกไป แต่ข้อเสียคือราคาที่แพงและความเร็วในการตัดวัสดุที่ช้ากว่า pulsed lasers อื่นๆ ที่มี pulse duration ที่ยาวกว่า

page10_2


Tags: , ,

Related posts: