В International Journal of Extreme Manufacturing ученые предложили новый метод лазерной обработки, который динамически подстраивает форму луча, чтобы создавать микроканавки со сложным и сверхточным профилем. Некоторые из них имеют погрешность менее 0,5 мкм при ширине всего 10 мкм.

Разработка принадлежит ученым из Южного университета науки и технологий (SUSTech) в Шэньчжэне. Метод ускорит производство микрофлюидных устройств, сенсоров и систем охлаждения — там, где нужны сложные микроструктуры, сделанные быстро и в больших объемах.

До сих пор лазерная микрообработка упиралась в ограничения гауссова луча: он вырезает лишь простые U- или V-образные канавки, а для многих задач этого недостаточно.

Попытки менять форму луча были и раньше — например, треугольным лучом можно прорезать треугольные каналы. Но поведение таких лучей в материале непредсказуемо.

Дифракция и отражения из-за поляризации мешают контролировать распределение энергии при абляции, — объясняет профессор Шаолинь Сюй, руководитель исследования. — Из-за этого реальный профиль канавки часто сильно отличается от запланированного.

Абляция — процесс испарения или выбивания материала с поверхности под действием лазера. Чем точнее контролируется энергия луча, тем чище и аккуратнее получается структура.

Команда Сюя разработала адаптивную систему, которая корректирует форму луча, сверяясь с целевым профилем. В основе — эволюционная модель, учитывающая дифракцию, поляризацию и форму луча. Она предсказывает, как материал будет разрушаться, и подбирает оптимальные параметры.

Фактически, лазер учится сам исправлять ошибки.

В тестах метод создавал микроканавки с треугольным, трапециевидным и полукруглым профилем. Погрешность не превышала 0,5 мкм — в пять раз точнее обычных методов. Даже в самых сложных профилях более 70% точек укладывались в отклонение ±0,5 мкм.

Особенно перспективна технология для труднообрабатываемых материалов вроде карбида кремния. В будущем ее адаптируют и для других субстратов.

Раньше в лазерной обработке приходилось выбирать между точностью и гибкостью, — говорит Сюй. — Теперь мы показали, что можно получить и то, и другое.

Это исследование решает две ключевые проблемы лазерной микрообработки:

• Скорость против точности — классические методы требуют многократных проходов или постобработки, новый подход сокращает время без потери качества.
• Гибкость — можно быстро перенастраивать систему под разные профили без замены оборудования.

Где пригодится:

• Микрофлюидика — точные каналы улучшат контроль над потоками жидкостей в лабораториях-на-чипе.
• Оптоэлектроника — например, для создания волноводов с идеальной геометрией.
• Теплоотводящие структуры — неравномерные микроканавки повысят эффективность охлаждения процессоров.

Однако метод требует точного моделирования для каждого материала. Если физические параметры субстрата (теплопроводность, отражающая способность) известны плохо, предсказательная сила модели снизится. Пока результаты получены в лабораторных условиях — как поведет себя система при масштабировании, неясно.

Ранее ученые разработали новый метод изучения лазерной обработки материалов.