Laseri s ultrakratkim pulsom, kao što su femtosekundni laseri, sve više postaju plug-and-play uređaji jednostavni za korištenje prikladni za širok raspon industrijskih i biomedicinskih primjena. Prije petnaest godina ti su laseri bili velika glavna računala koja su zahtijevala svakodnevno čišćenje optike , redovito održavanje rashladne vode i konstantno optimiziranje parametara lasera.
Danas su solid-state i optičke platforme koje koriste dokazanu tehnologiju pojačanja fotonskih kristalnih vlakana i arhitekturu pojačanja chirped-pulsa proizvele kompaktne, pouzdane i jeftinije femtosekundne lasere.
U današnjim ultrakratkim izvorima laserska šupljina je nepropusna za plin, a čak su i veće šupljine za pojačanje diska ili ploče zatvorene radi učinkovitije izolacije od okoline. To znači da suvremeni ultrabrzi laseri više ne moraju biti ručno kalibrirani na terenu i da na njih manje utječu promjene temperature ili vlažnosti.
"Prije nekoliko desetljeća, ako ste jako kihnuli pored ultrabrzog lasera, mogao bi se pogrešno poravnati ili izgubiti zaključavanje načina", rekla je Heather George, voditeljica proizvoda TRUMPF-a, "Pojava pasivno zaključanih početnih lasera, umjesto aktivnog zaključanog načina rada lasera, omogućio je industrijske ultrabrze lasere."
Potpuni femtosekundni laserski izvori sada su dostupni po raznim cjenovnim točkama, kao i fleksibilna trajanja impulsa, energije pulsa, prosječne snage i parametri snopa.
Mnogi od ovih sustava idu dalje integracijom značajki kao što je automatska pretkompenzacija za neželjenu grupnu disperziju brzine ili integrirani akusto-optički modulatori, koji omogućuju kontrolu prosječne snage, energije po impulsu i stope ponavljanja.
"Osim manjeg i sporog pada performansi povezanog s prirodnim starenjem komponenti, kompletan laser ne zahtijeva nikakve periodične prilagodbe ili ponovnu optimizaciju od strane korisnika, a trebao bi biti udaljen dijagnostički i nuditi udaljenu servisnu intervenciju kako bi se maksimiziralo vrijeme rada." rekao je Marco Arrigoni, direktor marketinga u Coherent Corp.
Iako ultrabrzi sustavi prilagođeni korisniku postaju sve dostupniji, bolje razumijevanje parametara ovih lasera može pomoći u poboljšanju njihove propusnosti, kvalitete i učinkovitosti primjene. Ultrabrzi laseri temeljeni na vlaknima mogu raditi godinama uz malo održavanja i relativno su pristupačni. Tipični femtosekundni laseri s vlaknima s izlaznom snagom manjom od 10 W, frekvencijama ponavljanja između 80 i 100 MHz i energijom pulsa između 10 i 20 nJ koštaju oko 50 USD000, otprilike upola manje od ranijih proizvoda.
Međutim, trošak raste kako se povećava prosječna snaga/pulsna energija. Trenutačni ultrabrzi laseri imaju prosječnu snagu između 10 i 200 W, širinu impulsa manju od 300 fs, energiju pulsa između 0,1 i 2 mJ i energiju praska od 8 mJ. Cijene ovih lasera kreću se od 80$000 do 100$000.
Bernhard Wolfring, voditelj proizvoda za ultrabrze lasere u TOPTICA Photonics AG, kaže da dizajnersko rješenje mora uzeti u obzir cijenu u odnosu na fizičke karakteristike potrebnog laserskog alata. "Minimalna potrebna snaga ne dopušta smanjenje troškova ispod određene razine", kaže on. "S druge strane, zahtjev za maksimalnom snagom pomaže u izbjegavanju predimenzioniranja sustava u smislu troškova i funkcionalnosti. Rezultat je obično optimalna ravnoteža između dizajna i cijene te dizajna i parametara za specijalizirane laserske sustave."
Primjena jedan: obrada materijala
Femtosekundni laseri i dalje se koriste u širokom rasponu aplikacija za obradu materijala, kao što je rezanje folija za ravne zaslone, mikrostrojna medicinska skela i scribiranje pločica.
Femtosekundni impulsi rezultiraju boljom kvalitetom u primjenama mikrostrojne obrade u usporedbi s piko- ili nanosekundnim impulsima, dijelom zato što femtosekundni impulsi minimiziraju utjecaj toplinskih defekata, kao što su zone pod utjecajem topline (HAZ) ili krhotine oko područja obrade. Vrijedno je napomenuti da postoji krajnja crta ovih prednosti: za većinu materijala, impulsi kraći od 350 fs ne poboljšavaju učinkovitost obrade i mogu zahtijevati skuplju optiku. Osim toga, sama širina pulsa samo je dio problema.
Hui Imam, direktor strateškog marketinga za ultrabrze lasere u NKT Photonicsu, kaže: "Mislimo da širina pulsa može biti pomalo pogrešna. Važan parametar je vršna snaga, što je količina energije isporučene u kratkoj femtosekundi. Što je vršna vrijednost veća snage za dani kratki femtosekundni puls, to se više materijala ablaira s manjim toplinskim utjecajem."
Smanjena toplinska obrada kritična je za temperaturno ili mehanički osjetljive materijale kao što su nitinol, polimeri, materijali s ubrizgavanjem lijekova ili tanki dielektrici.
Energija pulsa i prosječna snaga ultrabrzih lasera s vlaknima ograničeni su pragom oštećenja vlakana. Strukture pojačanja kao što su pločasta i disk pojačala mogu proizvesti više energije pulsa i prosječne snage. Ali također dolaze s većim otiskom, višom cijenom i strožim zahtjevima za hlađenje.
Prosječna snaga i brzina ponavljanja određuju maksimalnu energiju impulsa koja se može postići jednim laserskim impulsom. Za većinu primjena obrade materijala, optimalna energija pulsa ovisi o takozvanom pragu ablacije.
Prag se razlikuje od materijala do materijala, ali kada energija pulsa prijeđe prag ablacije materijala, proces postaje zasićen. U biti, plazma stvorena tijekom procesa ablacije apsorbira naknadne impulse, što povećava toplinu i smanjuje učinkovitost obrade.
"Za ablaciju većine materijala, tipična energija pulsa kada se koriste femtosekundni impulsi je između {{0}}.02 i 0.2 mJ." rekao je George.
Ekstremno velika gustoća snage femtosekundnih laserskih impulsa također izaziva dvo- ili višefotonsku apsorpciju u materijalu, što rezultira trodimenzionalnim strukturama s finom rezolucijom izvan granica optičke difrakcije. Za razliku od tradicionalnih mikro/nano tehnika izrade, femtosekundna laserska obrada nudi i veličinu značajki u nanoskali i trodimenzionalne arhitektonske mogućnosti.
Količina svjetlosne energije koja se prenosi po jedinici površine (koja se naziva laserska fluenca) određuje učinkovitost brzine ablacije (mm3/min/W). Za većinu materijala, optimalna vršna vrijednost fluence koja kombinira najvišu kvalitetu obrade s najučinkovitijom upotrebom svjetlosne energije je približno 1 J/cm2.
Jim Bovatsek, viši inženjerski menadžer aplikacija u MKS Spectra-Physics, kaže: "Fluksevi ispod vrha rezultiraju oštrim padom učinkovitosti, dok viši fluksevi rezultiraju postupnim smanjenjem učinkovitosti." To omogućuje veću propusnost radom pri većim stopama ponavljanja, što rezultira većom prosječnom snagom.
Međutim, u nekom trenutku ili se pomoćna oprema za kretanje/skeniranje ne pomiče dovoljno brzo ili je sposobnost materijala da rasprši zaostalu toplinsku energiju nedovoljna ili oboje, a rezultat je manje od idealne zone utjecaja topline.
Za rezanje materijala kao što je nitinol, čini se da su frekvencija ponavljanja lasera i energija pulsa od 100 kHz odnosno ~80 µJ gornja granica prije nego se počne formirati zona pod utjecajem topline (HAZ), dok je frekvencija pulsa veća od 2 MHz sa snagom većom od 100 W može se koristiti za rezanje polimernih filmova kao što su polietilen tereftalat i poliimid, rekao je Bovatsek.
Primjena 2: Označavanje medicinskih dijelova
Femtosekundni laseri mogu biti idealno tehničko rješenje za označavanje višekratnih medicinskih uređaja ako obujam proizvodnje kompenzira cijenu lasera.
Sve je više aplikacija za označavanje medicinskih uređaja trajnim 2D bar kodovima u crnoj ili tamnoj boji, koji se mogu koristiti za registraciju ovih alata i praćenje kada su očišćeni.
Tipično, označavanje ovih stavki zahtijeva upotrebu jeftinijih nanosekundnih pulsirajućih lasera. Ovi markeri su kemijski tretirani kako bi bili otporni na koroziju. Međutim, femtosekundni laseri stvaraju neizbrisiv trag koji ne korodira i ne oksidira tijekom vremena, tako da možda neće biti potrebni dodatni koraci kemijske obrade.
Obrada metala pikosekundnim ili femtosekundnim laserima proizvodi male periodične strukture na nanoskali koje se prikazuju kao crne oznake visokog kontrasta," kaže George iz Tonsona. Ove crne oznake neovisne su o kutu gledanja i pokazuju crni kontrast pod bilo kojim kutom gledanja."
Nastavlja se istraživanje mogu li femtosekundni impulsi postići bolju kvalitetu markera od pikosekundnih impulsa. Međutim, veće stope ponavljanja omogućuju brže skeniranje i time kraće vrijeme ciklusa. Stoga aplikacije za medicinsko označavanje moraju uzeti u obzir kompromis između brzine i kvalitete.
U crnom označavanju, niske energije pulsa (<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."
Primjena 3: Zavarivanje i rezanje
Obrada krhkih materijala kao što je staklo još je jedno industrijsko tržište u nastajanju za femtosekundne lasere.
Prema riječima Antonia Castela, voditelja fotoničke tehnologije u European Photonics Industry Consortium (EPIC), obrada stakla zahtijeva točnu kombinaciju valne duljine i energije pulsa. Neupotreba ispravnih parametara često dovodi do dodavanja dodatnih koraka poliranja na kraju procesa.
Castelo kaže: "Neki procesi koji se koriste za staklo i polimerne materijale mogu zahtijevati različite valne duljine u bliskom i srednjem infracrvenom području, a cijeli niz rješenja sada je dostupan u 2- i 3-mikronima."
Rezanje i zavarivanje stakla ili prozirne lomljive plastike zahtijeva posebnu optiku za postizanje određenog profila pulsa poznatog kao Besselova zraka. Ova zraka stvara niz linearnih žarišta na materijalu koji se obrađuje, slično tankom laserskom nožu koji može modificirati materijal u jednom prolazu.
Maksimalna debljina koja se može obraditi ograničena je energijom impulsa. Što je materijal deblji, potrebna je veća energija impulsa.
Za zavarivanje stakla pulsna energija se kreće od {{0}}.01 mJ do 0,04 mJ, ovisno o vrsti materijala, a za rezanje stakla pulsna energija od 0,1 mJ do 2 mJ se može koristiti, ovisno o debljini uzorka koji se obrađuje," kaže Huerta-Murillo iz ThruPointa. Lasersko rezanje staklenih ploča debljine do 12 mm već je realizirano u Thomson Application Laboratory."
Trajanje impulsa još je jedan važan faktor u obradi stakla. Na primjer, rezanje prozirnog stakla može se obaviti pikosekundnim impulsima. Ali za zavarivanje prozirnog stakla, femtosekundni impulsi su korisniji jer postižu veću vršnu snagu, što uzrokuje topljenje stakla u specifičnom lokaliziranom području.
Primjena 4: Višefotonska mikroskopija
Femtosekundni impulsi posebno su prikladni za induciranje višefotonskih aplikacija koje su vrijedne za biološke i znanstvene primjene slika kao što je nelinearna mikroskopija, dvofotonska optogenetika i trofotonska slika.
Primarni krajnji korisnici na tim tržištima su biolozi i neuroznanstvenici s ograničenim optičkim iskustvom. Dodavanje funkcionalnosti za pojednostavljenje laserskih alata posebno je privlačno tim krajnjim korisnicima.
Uvijek se vraća na dodanu vrijednost za korisnika, najčešće u smislu jednostavnosti upotrebe i upotrebljivosti", kaže Arrigoni iz Coherenta. Korisnici u temeljnim laboratorijima za snimanje, koji se često mijenjaju i nemaju iskustva, mogu imati koristi od punog paketa "ključ u ruke". performanse i spremno prihvaća dvostruku cijenu laserskog sustava "ključ u ruke."
Oko 80 posto znanstvenih primjena za ultrabrze lasere realizira se s laserima "ključ u ruke", koji imaju prosječnu snagu od 10 W, frekvencije pulsa između 1 kHz i 10 MHz, širine impulsa koje su podesive između 20 fs i 200 fs i podesive valne duljine između 200 nm i 1,000 nm.
Za femtosekundne lasere koji ciljaju višefotonske fenomene u primjenama u znanostima o životu, energija pulsa ili vršna snaga obično je najvažniji faktor, rekao je Wolfring. Da biste dobili dobre rezultate, ti se parametri moraju držati unutar određenog raspona. Ako je snaga preniska, učinkovitost dvofotonskog procesa možda neće biti dovoljna za proizvodnju mikroskopskih slika s dobrim kontrastom. Ako su parametri previsoki, mikroskopska slika može pokazati uzorke spaljenog tkiva.
Općenito, višefotonske aplikacije za snimanje zahtijevaju od lasera desetke do stotine nanodžula energije između 1 i 100 MHz pulsnih frekvencija kako bi se podržalo brzo skeniranje slike i izbjeglo oštećenje bioloških uzoraka.
U načelu, što je impuls kraći, veći su nelinearni učinci, ali održavanje kratke širine impulsa tijekom širenja kroz optički sustav važan je faktor; parametri kao što su disperzija i kompenzacijski učinci postaju važni.
Kako uskladiti ideal sa stvarnošću?
Od spektroskopije do fotoničkog računalstva, ultrabrzi laseri još uvijek pronalaze nova područja primjene.
Kupci u ovim područjima zahtijevaju fleksibilnost i mogućnost podešavanja od svojih lasera, ali životni vijek ultrabrzih izvora još nije usklađen s veličinom tržišta. prema Florianu Emauryju, izvršnom direktoru tvrtke Menhir Photonics, kompromisi za isporuku proizvoda na ova tržišta u razvoju izazov su s kojim se vrijedi suočiti.
Dizajn ultrabrzih laserskih sustava za ova tržišta mora uravnotežiti potrebe kupaca s razumnim isporukama u smislu pouzdanosti i mogućnosti izrade. Izgradnja robusnog sustava "ključ u ruke" zahtijeva iterativne korake - počevši od određivanja minimalnih specifikacija potrebnih za željenu primjenu.
Emaury kaže da su zahtjevi kupaca uvijek razumni za ono što im je potrebno, ali kupci rijetko razmatraju što žele u smislu pouzdanosti i ponovljivosti za sustav koji im je potreban. Ključno je uzeti u obzir trošak vlasništva lasera tijekom mnogih godina.
Budući napredak?
Ultrabrzi laseri postaju sve kompaktniji, uz to što su jednostavniji za korištenje i imaju konkurentniju cijenu. Sustavi temeljeni na vlaknima omogućuju fleksibilniju isporuku snopa, što omogućuje jednostavnu integraciju u uske proizvodne linije, mikroskopske sustave ili medicinska okruženja.
Manji otisci također omogućuju instaliranje ultrabrzih lasera u manje uređaje, kao što su fotonske računalne arhitekture, gdje preciznost ultrakratkih impulsa omogućuje fotonskim mikroprocesorima brže izvođenje proračuna s manje energije.
Emaury kaže: "Ovo vidimo kao tržište s vrlo velikom potražnjom i planiramo proizvoditi stotine tisuća, ako ne i milijune, lasera godišnje." Naravno, za sada će ti laseri biti manji od veličine mobilnog telefona, ali bit će ključna komponenta svakog vrhunskog računala."
Laseri specijalizirani za fotonsko računalstvo morat će osigurati stope ponavljanja na razini gigaherca i precizno mjeriti vrijeme svakog impulsa unutar prozora od 10 fs.
Dok ovo i druga tržišta mogu zahtijevati složene parametre koji još nisu mogući s današnjim laserima, njihov nedavni napredak potiče nove razvoje.
Kako se ultrabrzi laseri razvijaju, robusnije i svestranije performanse u smislu brzine ponavljanja, valne duljine i trajanja impulsa neizbježno će dovesti do velikog prekida u širenju njihovih primjena. Ali čini se da postoji neka vrsta uzajamnog davanja i uzimanja između toga kako tehnologija pokreće tržište.
"Razvoj fiber lasera posljednjih godina pokazao je da nove valne duljine lasera i nove razine snage, koje se mogu postići kroz nove koncepte kao što je pojačanje chirped pulsa, daju važan tehnološki poticaj za fiber lasere da uđu na trenutna ključna tržišta." rekao je Wolfring. Prevedeno s www.DeepL.com/Translator (besplatna verzija)
