Ultrakorta pulsade lasrar, som femtosekundlasrar, blir alltmer lättanvända plug-and-play-enheter som lämpar sig för ett brett utbud av industriella och biomedicinska applikationer. För femton år sedan var dessa lasrar stora stordatorer som krävde daglig rengöring av optiken , regelbundet underhåll av kylvattnet och konstant optimering av laserparametrarna.
Idag har solid-state och fiberoptiska plattformar som använder beprövad fotonisk kristallfiberförstärkningsteknik och chirped-pulsförstärkningsarkitekturer producerat kompakta, pålitliga och billigare femtosekundlasrar.
I dagens ultrakorta källor är laserkaviteten gastät och ännu större skiv- eller plattförstärkningshålrum är inneslutna för effektivare isolering från omgivningen. Detta innebär att moderna ultrasnabba lasrar inte längre behöver kalibreras manuellt i fält och påverkas mindre av förändringar i temperatur eller luftfuktighet.
"För årtionden sedan, om du nysade hårt bredvid en ultrasnabb laser, kunde den felinrikta sig eller förlora lägeslåsning", sa Heather George, TRUMPF produktchef, "Tillkomsten av passivt lägeslåsta frölasrar, snarare än aktiva lägeslåsta fröer. lasrar, har gjort industriella ultrasnabba lasrar möjliga."
Kompletta femtosekundlaserkällor finns nu tillgängliga till en mängd olika prisklasser, såväl som flexibla pulslängder, pulsenergier, medeleffekter och strålparametrar.
Många av dessa system går längre genom att integrera funktioner som automatisk förkompensation för oönskad grupphastighetsspridning eller integrerade akusto-optiska modulatorer, som tillåter kontroll av medeleffekt, energi per puls och repetitionshastighet.
"Bortsett från mindre och långsam prestandaförsämring i samband med naturlig komponentåldring kräver den kompletta lasern inga periodiska justeringar eller omoptimering av användaren, och den bör vara fjärrdiagnostisk och erbjuda fjärrserviceintervention för att maximera drifttiden." sa Marco Arrigoni, marknadschef på Coherent Corp.
Medan användarvänliga ultrasnabba system blir alltmer tillgängliga, kan en bättre förståelse av parametrarna för dessa lasrar bidra till att förbättra deras genomströmning, kvalitet och tillämpningseffektivitet. Fiberbaserade ultrasnabba lasrar kan fungera i åratal med lite underhåll och är relativt prisvärda. Typiska femtosekundsfiberlasrar med uteffekter på mindre än 10 W, repetitionsfrekvenser mellan 80 och 100 MHz och pulsenergier mellan 10 och 20 nJ kostar cirka $50,000, ungefär halva priset av tidigare produkter.
Kostnaden ökar dock när medeleffekten/pulsenergin ökar. Nuvarande ultrasnabba lasrar har medeleffekter mellan 10 och 200 W, pulsbredder på mindre än 300 fs, pulsenergier mellan 0,1 och 2 mJ och sprängenergier på 8 mJ. Dessa lasrar är prissatta i intervallet $80,000 till $100,000.
Bernhard Wolfring, produktchef för ultrasnabba lasrar på TOPTICA Photonics AG, säger att designlösningen måste ta hänsyn till kostnaden kontra de fysiska egenskaperna hos laserverktyget som krävs. "Minsta effekt som krävs tillåter inte att kostnaderna sänks under en viss nivå", säger han. "Å andra sidan hjälper det maximala effektbehovet till att undvika överdimensionering av systemet vad gäller kostnad och funktionalitet. Resultatet är vanligtvis en optimal balans mellan design och kostnad, och design och parametrar, för specialiserade lasersystem."
Applikation ett: Materialbearbetning
Femtosekundlasrar fortsätter att användas i ett brett spektrum av materialbearbetningsapplikationer, såsom skärande av folier för platta bildskärmar, mikrobearbetning av medicinska ställningar och waferritning.
Femtosekundpulser resulterar i bättre kvalitet i mikrobearbetningsapplikationer jämfört med piko- eller nanosekundpulser, delvis eftersom femtosekundpulser minimerar påverkan av termiska defekter, såsom värmepåverkade zoner (HAZ) eller skräp runt bearbetningsområdet. Det är värt att notera att det finns en slutsats till dessa fördelar: för de flesta material förbättrar pulser kortare än 350 fs inte bearbetningseffektiviteten och kan kräva dyrare optik. Dessutom är själva pulsbredden bara en del av problemet.
Hui Imam, direktör för strategisk marknadsföring för ultrasnabba lasrar på NKT Photonics, säger: "Vi tror att pulsbredden kan vara lite missvisande. Den viktiga parametern är toppeffekt, vilket är mängden energi som levereras på en kort femtosekund. Ju högre topp. effekt för en given kort femtosekundspuls, desto mer material ableras med mindre termisk påverkan."
Reducerad värmebehandling är avgörande för temperatur- eller mekaniskt känsliga material som Nitinol, polymerer, läkemedelsinjicerade material eller tunna dielektrika.
Pulsenergin och medeleffekten hos ultrasnabba fiberlasrar begränsas av fiberskadströskeln. Förstärkningsstrukturer som platt- och skivförstärkare kan producera högre pulsenergier och medeleffekter. Men de kommer också med ett större fotavtryck, högre kostnader och strängare kylningskrav.
Genomsnittlig effekt och repetitionshastighet bestämmer den maximala pulsenergi som kan uppnås med en enda laserpuls. För de flesta materialbearbetningsapplikationer beror den optimala pulsenergin på den så kallade ablationströskeln.
Tröskeln varierar från material till material, men när pulsenergin överstiger materialets ablationströskel blir processen mättad. I huvudsak absorberar plasman som skapas under ablationsprocessen efterföljande pulser, vilket ökar värmen och minskar bearbetningseffektiviteten.
"För ablation av de flesta material är den typiska pulsenergin vid användning av femtosekundspulser mellan {{0}},02 och 0,2 mJ." sa George.
Den extremt höga effekttätheten hos femtosekundlaserpulser inducerar också två- eller multifotonabsorption i materialet, vilket resulterar i tredimensionella strukturer med fin upplösning bortom gränserna för optisk diffraktion. I motsats till traditionella mikro/nanotillverkningstekniker erbjuder femtosekundlaserbehandling både nanoskala och tredimensionella arkitektoniska möjligheter.
Mängden ljusenergi som sänds per ytenhet (kallad laserfluens) bestämmer ablationshastighetens effektivitet (mm3/min/W). För de flesta material är det optimala toppfluensvärdet som kombinerar högsta bearbetningskvalitet med den mest effektiva användningen av ljusenergi cirka 1 J/cm2.
Jim Bovatsek, Senior Applications Engineering Manager på MKS Spectra-Physics, säger, "Fluxer under toppen resulterar i en kraftig minskning av effektiviteten, medan högre flöden resulterar i en gradvis minskning av effektiviteten." Detta möjliggör högre genomströmning genom att köra med högre repetitionshastigheter, vilket resulterar i högre medeleffekt.
Men vid något tillfälle rör sig antingen den extra rörelse-/avsökningsutrustningen inte tillräckligt snabbt, eller så är materialets förmåga att avleda restvärmeenergi otillräcklig, eller båda, och resultatet är en mindre än idealisk värmepåverkad zon.
För skärmaterial som nitinol verkar en laserrepetitionsfrekvens och pulsenergi på 100 kHz respektive ~80 µJ vara en övre gräns innan en värmepåverkad zon (HAZ) börjar bildas, medan en pulsfrekvens på större än 2 MHz med en effekt på mer än 100 W kan användas för att skära polymerfilmer som polyetentereftalat och polyimid, sa Bovatsek.
Användning 2: Märkning av medicinska delar
Femtosekundlasrar kan vara den idealiska tekniska lösningen för att märka återanvändbara medicintekniska produkter om produktionsvolymen kompenserar för priset på lasern.
Det finns en växande applikation för att märka medicintekniska produkter med permanenta 2D-streckkoder i svarta eller mörka färger, som kan användas för att registrera dessa verktyg och hålla koll på när de är rengjorda.
Normalt kräver märkning av dessa föremål användning av billigare nanosekundspulsade lasrar. Dessa markörer är kemiskt behandlade för att vara korrosionsbeständiga. Femtosekundlasrar producerar dock ett outplånligt märke som inte korroderar och oxiderar med tiden, så ytterligare kemiska behandlingssteg kanske inte är nödvändiga.
Att bearbeta metaller med pikosekund- eller femtosekundlasrar producerar små periodiska strukturer på nanoskala som visar sig som svarta markeringar med hög kontrast", säger George på Tonson. Dessa svarta markeringar är oberoende av betraktningsvinkeln och visar svart kontrast i alla betraktningsvinklar."
Forskning fortsätter om huruvida femtosekundpulser kan uppnå bättre markörkvalitet än pikosekundpulser. Men högre upprepningshastigheter möjliggör snabbare skanning och därmed kortare cykeltider. Därför måste medicinska märkningsansökningar beakta avvägningen mellan hastighet och kvalitet.
I svart markering, låg 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."
Användning 3: Svetsning och skärning
Bearbetning av spröda material som glas är en annan framväxande industriell marknad för femtosekundlasrar.
Enligt Antonio Castelo, chef för fotonikteknik vid European Photonics Industry Consortium (EPIC), kräver glasbearbetning en exakt kombination av våglängd och pulsenergi. Underlåtenhet att använda korrekta parametrar resulterar ofta i att ytterligare poleringssteg läggs till i slutet av processen.
Castelo säger: "Vissa processer som används för glas- och polymermaterial kan kräva olika våglängder i det nära- och mellaninfraröda, och ett komplett utbud av lösningar finns nu i 2- och 3-mikron."
Skärning och svetsning av glas eller klar spröd plast kräver en speciell optik för att uppnå en viss pulsprofil som kallas Bessel-stråle. Denna stråle skapar en serie linjära foci på materialet som bearbetas, liknande en tunn laserkniv som kan modifiera materialet i en enda passage.
Den maximala tjockleken som kan bearbetas begränsas av pulsenergin. Ju tjockare material, desto högre pulsenergi krävs.
För glassvetsning sträcker sig pulsenergin från {{0}}.01 mJ till 0,04 mJ, beroende på materialtyp, och för glasskärning en pulsenergi på 0,1 mJ till 2 mJ kan användas, beroende på tjockleken på provet som ska bearbetas", säger ThruPoints Huerta-Murillo. Laserskärning av glasplattor upp till 12 mm tjocka har redan genomförts i Thomson Application Laboratory."
Pulslängd är en annan viktig faktor vid glasbearbetning. Till exempel kan skärning av klart glas göras med pikosekundpulser. Men för svetsning av klart glas är femtosekundpulser mer användbara eftersom de uppnår högre toppeffekt, vilket gör att glaset smälter i ett specifikt lokaliserat område.
Applikation 4: Multifotonmikroskopi
Femtosekundpulser är särskilt väl lämpade för att inducera multifotonapplikationer som är värdefulla för biologiska och vetenskapliga avbildningstillämpningar som olinjär mikroskopi, tvåfotonoptogenetik och trefotonavbildning.
De primära slutanvändarna på dessa marknader är biologer och neuroforskare med begränsad optisk bakgrund. Att lägga till funktionalitet för att förenkla laserverktyg är särskilt attraktivt för dessa slutanvändare.
Det kommer alltid tillbaka till mervärdet för användaren, oftast när det gäller användarvänlighet och användbarhet", säger Arrigoni från Coherent. Användare i centrala bildlabbar, som ofta roterar och är oerfarna, kan dra nytta av en komplett uppsättning nyckelfärdiga prestanda och accepterar lätt två gånger priset för ett nyckelfärdigt lasersystem."
Cirka 80 procent av de vetenskapliga tillämpningarna för ultrasnabba lasrar realiseras med nyckelfärdiga lasrar, som har en medeleffekt på 10 W, pulsfrekvenser mellan 1 kHz och 10 MHz, pulsbredder som är justerbara mellan 20 fs och 200 fs, och avstämbara våglängder mellan 200 nm och 1,000 nm.
För femtosekundlasrar som riktar sig mot multifotonfenomen i biovetenskapliga tillämpningar är pulsenergin eller toppeffekten vanligtvis den viktigaste faktorn, sa Wolfring. För att få bra resultat måste dessa parametrar hållas inom ett visst intervall. Om effekten är för låg kanske effektiviteten i tvåfotonprocessen inte är tillräcklig för att producera mikroskopiska bilder med bra kontrast. Om parametrarna är för höga kan mikroskopbilden visa brända vävnadsprover.
I allmänhet kräver multifotonavbildningstillämpningar lasrar för att mata ut tiotals till hundratals nanojoule energi mellan 1 och 100 MHz pulsfrekvenser för att stödja snabb bildskanning och undvika skador på biologiska prover.
I princip gäller att ju kortare pulsen är, desto högre blir de olinjära effekterna, men att bibehålla en kort pulsbredd samtidigt som den utbreder sig genom det optiska systemet är en viktig faktor; parametrar som spridning och kompensationseffekter blir viktiga.
Hur balanserar man ideal med verklighet?
Från spektroskopi till fotonikberäkningar, ultrasnabba lasrar hittar fortfarande nya användningsområden.
Kunder inom dessa områden kräver flexibilitet och inställning av sina lasrar, men livslängden för ultrasnabba källor matchas ännu inte av marknadens storlek. enligt Florian Emaury, VD för Menhir Photonics, är avvägningarna för att leverera produkter till dessa tillväxtmarknader en utmaning värd att möta.
Utformningen av ultrasnabba lasersystem för dessa marknader måste balansera kundernas behov med rimliga leveranser vad gäller tillförlitlighet och tillverkningsbarhet. Att bygga ett robust nyckelfärdigt system kräver iterativa steg - börjar med att fastställa de minimispecifikationer som behövs för den önskade applikationen.
Emaury säger att kundernas krav alltid är rimliga för vad de behöver, men kunderna överväger sällan vad de vill ha när det gäller tillförlitlighet och repeterbarhet för det system de behöver. Att ta hänsyn till ägandekostnaden för lasern under många år är nyckeln.
Framtida framsteg?
Ultrasnabba lasrar blir mer kompakta, förutom att de är enklare att använda och mer konkurrenskraftiga priser. Fiberbaserade system möjliggör mer flexibel strålleverans, vilket möjliggör enkel integrering i smala produktionslinjer, mikroskopsystem eller medicinska miljöer.
Mindre fotavtryck tillåter också att ultrasnabba lasrar installeras i mindre enheter, såsom fotoniska datorarkitekturer, där precisionen hos ultrakorta pulser gör att fotoniska mikroprocessorer kan utföra beräkningar snabbare med mindre energi.
Emaury säger, "Vi ser det här som en marknad med mycket hög efterfrågan, och vi planerar att producera hundratusentals, om inte miljoner, lasrar per år." Naturligtvis kommer dessa lasrar för närvarande att vara mindre än storleken på en mobiltelefon, men de kommer att vara kärnkomponenten i alla avancerade datorer."
Lasrar specialiserade för fotonisk beräkning kommer att behöva ge upprepningshastigheter på gigahertz-nivå och exakt tidpunkt för varje puls inom ett 10fs-fönster.
Även om denna och andra marknader kan kräva komplexa parametrar som ännu inte är möjliga med dagens lasrar, driver deras senaste framsteg ny utveckling.
Allt eftersom ultrasnabba lasrar utvecklas, kommer mer robust och mångsidig prestanda vad gäller repetitionshastighet, våglängd och pulslängd oundvikligen att leda till ett stort avbrott i utbyggnaden av deras applikationer. Men det verkar finnas något slags ömsesidigt ge-och-tag mellan hur tekniken driver marknaden.
"Utvecklingen av fiberlasrar under de senaste åren har visat att nya laservåglängder och nya effektnivåer, som kan uppnås genom nya koncept som tjutande pulsförstärkning, ger en viktig teknisk push för fiberlasrar att komma in på de nuvarande nyckelmarknaderna." sa Wolfring. Översatt med www.DeepL.com/Translator (gratisversion)
