Ultrakorte pulslasere, som femtosekundlasere, blir i økende grad brukervennlige plug-and-play-enheter som passer for et bredt spekter av industrielle og biomedisinske applikasjoner. For femten år siden var disse laserne store stormaskiner som krevde daglig rengjøring av optikken , regelmessig vedlikehold av kjølevannet, og konstant optimalisering av laserparametrene.
I dag har solid-state og fiberoptiske plattformer som bruker utprøvd fotonisk krystallfiberforsterkningsteknologi og chirped-pulsforsterkningsarkitekturer produsert kompakte, pålitelige og rimeligere femtosekundlasere.
I dagens ultrakorte kilder er laserhulrommet gasstett, og enda større disk- eller plateforsterkningshulrom er innelukket for mer effektiv isolasjon fra omgivelsene. Dette betyr at moderne ultraraske lasere ikke lenger trenger å kalibreres manuelt i felt og blir mindre påvirket av endringer i temperatur eller fuktighet.
"For tiår siden, hvis du nyset hardt ved siden av en ultrarask laser, kan den feiljustere eller miste moduslåsing," sa Heather George, TRUMPF produktsjef, "Ankomsten av passivt moduslåste frølasere, i stedet for aktive moduslåste frø lasere, har gjort industrielle ultraraske lasere mulig."
Komplette femtosekundlaserkilder er nå tilgjengelig til en rekke prispunkter, samt fleksible pulsvarigheter, pulsenergier, gjennomsnittseffekter og stråleparametere.
Mange av disse systemene går videre ved å integrere funksjoner som automatisk forhåndskompensasjon for uønsket gruppehastighetsspredning eller integrerte akusto-optiske modulatorer, som tillater kontroll av gjennomsnittlig effekt, energi per puls og repetisjonshastighet.
"Bortsett fra mindre og langsom ytelsesforringelse assosiert med naturlig komponentaldring, krever ikke den komplette laseren noen periodiske justeringer eller re-optimering av brukeren, og den bør være fjerndiagnose og tilby ekstern serviceintervensjon for å maksimere oppetiden." sa Marco Arrigoni, markedsdirektør i Coherent Corp.
Mens brukervennlige ultraraske systemer blir stadig mer tilgjengelige, kan en bedre forståelse av parametrene til disse laserne bidra til å forbedre deres gjennomstrømning, kvalitet og applikasjonseffektivitet. Fiberbaserte ultraraske lasere kan fungere i årevis med lite vedlikehold og er relativt rimelige. Typiske femtosekund-fiberlasere med utgangseffekter på mindre enn 10 W, repetisjonsfrekvenser mellom 80 og 100 MHz og pulsenergier mellom 10 og 20 nJ koster omtrent $50,000, omtrent halvparten av prisen på tidligere produkter.
Kostnaden øker imidlertid etter hvert som gjennomsnittlig effekt/pulsenergi øker. Gjeldende ultraraske lasere har gjennomsnittseffekter mellom 10 og 200 W, pulsbredder på mindre enn 300 fs, pulsenergier mellom 0,1 og 2 mJ og sprengningsenergier på 8 mJ. Disse laserne er priset i området $80,000 til $100,000.
Bernhard Wolfring, produktsjef for ultraraske lasere hos TOPTICA Photonics AG, sier at designløsningen må ta hensyn til kostnaden kontra de fysiske egenskapene til laserverktøyet som kreves. – Minimumseffekten som kreves tillater ikke at kostnadene reduseres under et visst nivå, sier han. "På den annen side bidrar det maksimale effektbehovet til å unngå overdimensjonering av systemet med tanke på kostnad og funksjonalitet. Resultatet er vanligvis en optimal balanse mellom design og kostnad, og design og parametere, for spesialiserte lasersystemer."
Søknad en: Materialbehandling
Femtosekundlasere fortsetter å bli brukt i et bredt spekter av materialbehandlingsapplikasjoner, for eksempel skjæring av folier for flatskjermer, mikrobearbeiding av medisinske stillaser og waferskrifting.
Femtosekundpulser resulterer i bedre kvalitet i mikrobearbeidingsapplikasjoner sammenlignet med piko- eller nanosekundpulser, delvis fordi femtosekundpulser minimerer virkningen av termiske defekter, for eksempel varmepåvirkede soner (HAZ) eller rusk rundt prosessområdet. Det er verdt å merke seg at det er en bunnlinje for disse fordelene: For de fleste materialer forbedrer ikke pulser kortere enn 350 fs maskineringseffektiviteten og kan kreve dyrere optikk. I tillegg er selve pulsbredden bare en del av problemet.
Hui Imam, direktør for strategisk markedsføring for ultraraske lasere i NKT Photonics, sier: "Vi tror pulsbredde kan være litt misvisende. Den viktige parameteren er peak power, som er mengden energi som leveres på et kort femtosekund. Jo høyere peak. kraft for en gitt kort femtosekundspuls, jo mer materiale fjernes med mindre termisk påvirkning."
Redusert varmebehandling er kritisk for temperatur- eller mekanisk følsomme materialer som Nitinol, polymerer, medikamentinjiserte materialer eller tynne dielektriske stoffer.
Pulsenergien og gjennomsnittseffekten til ultraraske fiberlasere er begrenset av fiberskadeterskelen. Forsterkningsstrukturer som plate- og diskforsterkere kan produsere høyere pulsenergier og gjennomsnittseffekter. Men de kommer også med et større fotavtrykk, høyere kostnader og strengere kjølekrav.
Gjennomsnittlig kraft og repetisjonshastighet bestemmer den maksimale pulsenergien som kan oppnås med en enkelt laserpuls. For de fleste materialbehandlingsapplikasjoner avhenger den optimale pulsenergien av den såkalte ablasjonsterskelen.
Terskelen varierer fra materiale til materiale, men når pulsenergien overstiger materialets ablasjonsterskel, blir prosessen mettet. I hovedsak absorberer plasmaet som dannes under ablasjonsprosessen påfølgende pulser, noe som øker varmen og reduserer prosesseringseffektiviteten.
"For ablasjon av de fleste materialer er den typiske pulsenergien ved bruk av femtosekundpulser mellom {{0}},02 og 0,2 mJ." sa George.
Den ekstremt høye effekttettheten til femtosekundlaserpulser induserer også to- eller multifotonabsorpsjon i materialet, noe som resulterer i tredimensjonale strukturer med fin oppløsning utenfor grensene for optisk diffraksjon. I motsetning til tradisjonelle mikro/nano-fremstillingsteknikker, tilbyr femtosekund-laserbehandling både nanoskala-funksjonsstørrelse og tredimensjonale arkitektoniske muligheter.
Mengden lysenergi som overføres per arealenhet (kalt laserfluens) bestemmer effektiviteten av ablasjonshastigheten (mm3/min/W). For de fleste materialer er den optimale toppfluensverdien som kombinerer den høyeste bearbeidingskvaliteten med den mest effektive bruken av lysenergi ca. 1 J/cm2.
Jim Bovatsek, Senior Applications Engineering Manager hos MKS Spectra-Physics, sier: "Flukser under toppen resulterer i et kraftig fall i effektiviteten, mens høyere flukser resulterer i en gradvis reduksjon i effektiviteten." Dette gir høyere gjennomstrømning ved å kjøre med høyere repetisjonshastigheter, noe som resulterer i høyere gjennomsnittlig kraft.
På et tidspunkt beveger imidlertid ikke hjelpebevegelses-/skanneutstyret seg raskt nok, eller materialets evne til å spre gjenværende varmeenergi er utilstrekkelig, eller begge deler, og resultatet er en mindre enn ideell varmepåvirket sone.
For kuttematerialer som nitinol ser en laserrepetisjonsfrekvens og pulsenergi på henholdsvis 100 kHz og ~80 µJ ut til å være en øvre grense før en varmepåvirket sone (HAZ) begynner å dannes, mens en pulsfrekvens på større enn 2 MHz med en effekt på over 100 W kan brukes til å kutte polymerfilmer som polyetylentereftalat og polyimid, sa Bovatsek.
Søknad 2: Merking av medisinske deler
Femtosekundlasere kan være den ideelle tekniske løsningen for merking av gjenbrukbart medisinsk utstyr dersom produksjonsvolumet kompenserer for prisen på laseren.
Det er en voksende applikasjon for merking av medisinsk utstyr med permanente 2D-strekkoder i sorte eller mørke farger, som kan brukes til å registrere disse verktøyene og holde styr på når de er rengjort.
Vanligvis krever merking av disse elementene bruk av billigere nanosekunders pulserende lasere. Disse markørene er kjemisk behandlet for å være korrosjonsbestandige. Femtosekundlasere produserer imidlertid et uutslettelig merke som ikke korroderer og oksiderer over tid, så ytterligere kjemiske behandlingstrinn er kanskje ikke nødvendig.
Bearbeiding av metaller med pikosekund- eller femtosekundlasere produserer små periodiske strukturer på nanoskala som viser seg som svarte markeringer med høy kontrast," sier George at Tonson. Disse svarte markeringene er uavhengige av synsvinkel og viser svart kontrast i alle synsvinkler."
Forskning fortsetter på om femtosekundpulser kan oppnå bedre markørkvalitet enn pikosekundpulser. Høyere repetisjonshastigheter gir imidlertid mulighet for raskere skanning og dermed kortere syklustider. Derfor må medisinske merkingsapplikasjoner vurdere avveiningen mellom hastighet og kvalitet.
Ved svart markering, lav pulsenergi (<0.05 mJ) and high repetition rates (1 MHz) are used," says Daniel Huerta-Murillo, laser applications engineer at Trafotek. Higher pulse energies result in structured materials, while insufficient pulse energy produces low-contrast markings."
Bruksområde 3: Sveising og skjæring
Behandling av sprø materialer som glass er et annet industrielt marked for femtosekundlasere.
Ifølge Antonio Castelo, fotonikkteknologisjef ved European Photonics Industry Consortium (EPIC), krever glassbehandling en nøyaktig kombinasjon av bølgelengde og pulsenergi. Unnlatelse av å bruke de riktige parameterne resulterer ofte i at ytterligere poleringstrinn legges til på slutten av prosessen.
Castelo sier: "Noen prosesser som brukes for glass og polymermaterialer kan kreve forskjellige bølgelengder i nær- og mellominfrarødt, og et komplett utvalg løsninger er nå tilgjengelig i 2- og 3-mikron."
Kutting og sveising av glass eller klar sprø plast krever en spesiell optikk for å oppnå en viss pulsprofil kjent som en Bessel-stråle. Denne strålen skaper en serie lineære foci på materialet som behandles, lik en tynn laserkniv som kan modifisere materialet i en enkelt omgang.
Den maksimale tykkelsen som kan behandles er begrenset av pulsenergien. Jo tykkere materialet er, desto høyere pulsenergi kreves det.
For glassveising varierer pulsenergien fra {{0}}.01 mJ til 0,04 mJ, avhengig av type materiale, og for glassskjæring, en pulsenergi på 0,1 mJ til 2 mJ kan brukes, avhengig av tykkelsen på prøven som skal behandles," sier ThruPoints Huerta-Murillo. Laserskjæring av glassplater med en tykkelse på opptil 12 mm har allerede blitt realisert i Thomson Application Laboratory."
Pulsvarighet er en annen viktig faktor i glassbehandling. For eksempel kan skjæring av klart glass gjøres med picosekundpulser. Men for sveising av klart glass er femtosekundpulser mer nyttige fordi de oppnår høyere toppeffekt, noe som får glasset til å smelte i et spesifikt lokalisert område.
Søknad 4: Multifotonmikroskopi
Femtosekundpulser er spesielt godt egnet for å indusere multifotonapplikasjoner som er verdifulle for biologiske og vitenskapelige avbildningsapplikasjoner som ikke-lineær mikroskopi, tofotonoptogenetikk og trefotonavbildning.
De primære sluttbrukerne i disse markedene er biologer og nevrovitenskapsmenn med begrenset optisk bakgrunn. Å legge til funksjonalitet for å forenkle laserverktøy er spesielt attraktivt for disse sluttbrukerne.
Det kommer alltid tilbake til merverdien for brukeren, oftest når det gjelder brukervennlighet og brukervennlighet," sier Arrigoni fra Coherent. Brukere i kjernebildelaboratorier, som ofte roterer og er uerfarne, kan dra nytte av en komplett pakke med nøkkelferdige ytelse og godtar lett to ganger prisen for et nøkkelferdig lasersystem."
Omtrent 80 prosent av de vitenskapelige applikasjonene for ultraraske lasere realiseres med nøkkelferdige lasere, som har en gjennomsnittlig effekt på 10 W, pulsfrekvenser mellom 1 kHz og 10 MHz, pulsbredder som er justerbare mellom 20 fs og 200 fs, og avstembare bølgelengder mellom 200 nm og 1,000 nm.
For femtosekundlasere rettet mot multifotonfenomener i biovitenskapelige applikasjoner, er pulsenergien eller toppeffekten vanligvis den viktigste faktoren, sa Wolfring. For å få gode resultater må disse parameterne holdes innenfor et visst område. Hvis effekten er for lav, kan det hende effektiviteten til to-foton-prosessen ikke er tilstrekkelig til å produsere mikroskopiske bilder med god kontrast. Hvis parametrene er for høye, kan mikroskopbildet vise brente vevsprøver.
Generelt krever multifotonavbildningsapplikasjoner lasere for å sende ut titalls til hundrevis av nanojoule med energi mellom 1 og 100 MHz pulsfrekvenser for å støtte rask bildeskanning og unngå skade på biologiske prøver.
I prinsippet, jo kortere pulsen er, desto høyere er de ikke-lineære effektene, men å opprettholde en kort pulsbredde mens den forplanter seg gjennom det optiske systemet er en viktig faktor; parametere som spredning og kompensasjonseffekter blir viktige.
Hvordan balansere idealet med virkeligheten?
Fra spektroskopi til fotonisk databehandling finner ultraraske lasere fortsatt nye bruksområder.
Kunder innen disse feltene krever fleksibilitet og avstemming fra laserne sine, men levetiden til ultraraske kilder er ennå ikke matchet av størrelsen på markedet. ifølge Florian Emaury, administrerende direktør i Menhir Photonics, er avveiningene for å levere produkter til disse fremvoksende markedene en utfordring det er verdt å møte.
Utformingen av ultraraske lasersystemer for disse markedene må balansere kundebehov med rimelige leveranser når det gjelder pålitelighet og produksjonsevne. Å bygge et robust nøkkelferdig system krever iterative trinn - starter med å bestemme minimumsspesifikasjonene som trengs for ønsket applikasjon.
Emaury sier at kundenes krav alltid er rimelige for det de trenger, men kundene vurderer sjelden hva de vil ha når det gjelder pålitelighet og repeterbarhet for systemet de trenger. Å vurdere kostnadene ved eierskap av laseren over mange år er nøkkelen.
Fremtidig fremgang?
Ultraraske lasere blir mer kompakte, i tillegg til å være enklere å bruke og mer konkurransedyktige priser. Fiberbaserte systemer gir mulighet for mer fleksibel strålelevering, noe som muliggjør enkel integrering i trange produksjonslinjer, mikroskopsystemer eller medisinske miljøer.
Mindre fotavtrykk gjør det også mulig å installere ultraraske lasere i mindre enheter, for eksempel fotoniske databehandlingsarkitekturer, der presisjonen til ultrakorte pulser gjør at fotoniske mikroprosessorer kan utføre beregninger raskere med mindre energi.
Emaury sier: "Vi ser på dette som et marked med veldig høy etterspørsel, og vi planlegger å produsere hundretusener, om ikke millioner, lasere per år." Selvfølgelig, foreløpig vil disse laserne være mindre enn størrelsen på en mobiltelefon, men de vil være kjernekomponenten i enhver avansert datamaskin."
Lasere spesialisert for fotonisk databehandling vil måtte gi gigahertz-nivå repetisjonshastigheter og nøyaktig tid hver puls innenfor et 10fs-vindu.
Selv om dette og andre markeder kan kreve komplekse parametere som ennå ikke er mulig med dagens lasere, er deres nylige fremskritt drivstoff for ny utvikling.
Etter hvert som ultraraske lasere utvikler seg, vil mer robust og allsidig ytelse når det gjelder repetisjonshastighet, bølgelengde og pulsvarighet uunngåelig føre til et stort brudd i utvidelsen av applikasjonene deres. Men det ser ut til å være en slags gjensidig gi-og-ta mellom hvordan teknologien driver markedet.
"Utviklingen av fiberlasere de siste årene har vist at nye laserbølgelengder og nye effektnivåer, som kan oppnås gjennom nye konsepter som chirped puls amplification, gir et viktig teknologisk løft for fiberlasere for å komme inn på de nåværende nøkkelmarkedene." sa Wolfring. Oversatt med www.DeepL.com/Translator (gratisversjon)
