סימון בעל ערך גבוהה בלייזר

יישומי סימון רבים הינם רגישים בהסתכלות על עלות הון ועלות הייצור של כל סימון. כתוצאה מכך, יישומים אלה מטופלים בדרך כלל באמצעות לייזר מצב מוצק שאוב דיודות, (DPSS) במיתוג (Q-switching) בעל רוחבי פולס של ננו-שניות, לייזר CO2 או לייזר סיב. הטכנולוגיות הללו זמינות בעלות סבירה, והן תומכות בקצבי תפוקה מהירים. לאחרונה צץ סוג חדש של יישומים תובעניים יותר, הזקוקים למידת דיוק שלא ניתן להשיגה באמצעות הלייזרים המסורתיים. לפיכך, לייזרי פיקו-שניות תעשייתיים הפכו לכלים המועדפים ביישומי הסימון ‘בעלי הערך הגבוה’.

יתרונות של עיבוד מהיר במיוחד (Ultrafast)
סימון בלייזר כרוך ביצירת שינוי בתוך החומר, שינוי צבע על משטח, או שינוי מיקרוסקופי בתבליט של פני השטח (לדוגמה, חריטה) או במרקם שניתן לראותו בקלות. מסורתית, לייזרים משיגים זאת באמצעות תהליך פוטו-תרמי. הסימון גם יוצר “אזור מושפע מחום” (HAZ), אשר ברוב המוצרים המסומנים בלייזר אינו מהווה בעיה.
אולם ישנם יישומים שבהם אפילו HAZ קטן עלול לפגוע בפעולת המוצר או במראהו. דרך אחת לצמצם את ה-HAZ היא להשתמש בלייזר אולטרה-סגול. שיטה יעילה יותר משתמשת בפולסים של לייזר בתחום הפיקו-שניות או קצרים יותר. כאן, שילוב של עוצמה מרבית גבוהה ומיקוד הדוק יוצר זרימה גבוהה מאוד שיוצרת ספיגת מולטי-פוטונים. תהליך זה מסיר אלקטרונים מהחומר, שאז מתפוצץ בגלל אפקט קולון בתהליך קריר יחסית. ומשך הפולס הקצר משמעו שהחומר המוסר נושא עמו כל חום לפני שהוא יכול להתפשט. עיבוד מהיר במיוחד מספק אם כך HAZ קטן יותר ודיוק רב יותר. אולם לייזר פיקו-שניות מספק שיעורי הסרת חומר נמוכים יותר, והוא יקר יותר ממקורות לייזר רבים אחרים. לכן, עיבוד בתחום הפיקו-שניות שמור בדרך כלל ליישומי סימון שדורשים את הדיוק הרב ביותר האפשרי, את האיכות הגבוהה ביותר ואת ה-HAZ הקטן ביותר.
ישנן שתי טכנולוגיות מסחריות עיקריות להפקה אמינה של פולסים מהירים במיוחד אלה. הראשונה היא לייזר מצב מוצק עם שאיבת דיודות (DPSS), במיתוג Q, שבו מזעור אורך המהוד יכול להוריד את רוחב הפולס לטווח ה-500ps.
פולסים קצרים עוד יותר מושגים באמצעות נעילת אופנים בלייזר מצב מוצק או בלייזר סיב. קצב ההישנות הגבוה מטבעו (עשרות מגהרץ) יורד אז, ורכבת הפולסים האיטית יותר נשלחת דרך מגבר אחד או יותר. כך עולה רמת העוצמה בשיא של הפולסים לרמה גבוהה מספיק כדי לאפשר הסרה של חומר או טרנספורמציה בקצבים שהשוק מאפשר.

דוגמאות לסימון בערך גבוה
סימון בעל ערך גבוה משמש בתעשיית הרכב למיקום ברקודים על גבי חלקים יקרים, המועדים ביותר לתקלות. הסימנים, שיכולים להכיל מספרים סידוריים או מספרי אצווה, מספקים יכולת מעקב אחריהם, ומאפשרים ליצרן לראות כיצד שינויים בתהליכי הייצור שלהם עצמם משפיעים על אורך חיי המוצר ועל אמינותו. באופן זה, שיטות הייצור של היצרן משתכללות. ביישומים אלה, חיוני שהסימן לא ישפיע על ביצועי החלק בשום דרך, וכן שלא יהפוך לבלתי קריא בשל בלאי של החלק בעקבות שימוש. יכולות הסימון בלייזר בטכנולוגיית הפיקו-שנייה מתאימות לצרכים אלה באופן מושלם, מכיוון שכך ניתן ליצור סימנים הכרוכים בשינוי צבע או בשינוי קל בתבליט של פני השטח ללא HAZ (אזור מושפע מחום) כלשהו ועם שינוי פני שטח זניחים בלבד.
דוגמה נוספת לסימון בעל ערך גבוה הוא ייצור ברקודים וסימנים אחרים בפרוסות הספיר (sapphire-wafer) המשמשות כמצעים לייצור LED לדים, בעלי בהירות גבוהה. אלה הם בדרך כלל מספרי אצווה ומידע מזהה אחר שממוקמים על הספיר אחרי יצירת מבני ה-LED, כלומר, אחרי שכבר השקיעו עלות נכבדת במצע. האתגר העיקרי כאן הוא ליצור סימנים שקל לקרוא מבלי להשפיע באופן שלילי על מבני המעגל הסובבים. אך זהו אתגר קשה, מכיוון שספיר הוא גם קשה במיוחד וגם שקוף ברוב אורכי הגל של לייזרים.
סימון ספיר בוצע בעבר באמצעות לייזרים בטכנולוגיית הננו-שניות, אך האיכות אינה אופטימלית, ועלולים להיווצר סדקים קטנים במצע. תהליך ספיגת המולטי-פוטונים המיוצרים באמצעות פולסים מהירים במיוחד עובד אפילו בחומרים שאמורים להיות שקופים באורך הגל של הלייזר. לכן, לייזר בטכנולוגיית הפיקו-שניות בעל הספק הקרוב לאינפרא-אדום יכול לעבד ספיר, וליצור סימנים בעלי פני שטח מצוינים ואיכות גבוהה, חדות בפרטים, וללא נזק נלווה וחומר מבוזבז.
אחד מיישומי הסימון המהירים במיוחד והמשמעותיים מבחינה מסחרית הוא ‘הסימון השחור’. זוהי טכניקה המשמשת למיקום טקסט ומספרים סידוריים על מארז האנודייז אלומיניום של חלק ממחשבי הטבלט. ספציפית, לייזר הפיקו-שנייה ממוקד כך שמותן הקרן מתרחשות מתחת למשטח האלומיניום. רק בנקודת מיקוד זו, עוצמת הלייזר גבוהה מספיק כדי ליצור ספיגת מולטי-פוטונים. הלייזר יוצר מיקרו-מבנה בתוך האלומיניום שמפזר אור ונראה שחור, בעוד ששכבת תחמוצת האנודייז של האלומיניום מעל נותרת בהירה וללא שינוי. התוצאה היא סימן בעל ניגודיות גבוה שאינו נשחק, ושהינו חלק למגע.
סימן זה מציע שני יתרונות משמעותיים המצדיקים את עלותו. קודם כל, קשה מאוד לזייף או לשנות את הסימן. שנית, לסימן יש מראה ותחושה ברורים ונעימים, מה שמסייע ליצרן לשמור על תדמית המותג האיכותית שלו ועל הרמה הגבוהה של עיצוב המוצר.
לסיכום, במספר יישומי סימון בערך גבוה לא ניתן לטפל באמצעות לייזרי פולסים קונבנציונליים, מכיוון שאפילו HAZ קטן אינו קביל. אך לייזר פיקו-שניה יכול לספק ערך גבוה בעל תוצאות טובות בהרבה, שמצדיקות לחלוטין את העלות הגבוהה שלו.
הכתבה באדיבות שמואל רייף, חברת אמו הנדסה א.א.(1995) בע”מ

מאת דירק מולר ואוליבר הופט, .Coherent Inc