Ultrakrátké pulzní lasery, jako jsou femtosekundové lasery, se stále více stávají snadno použitelnými plug-and-play zařízeními vhodnými pro širokou škálu průmyslových a biomedicínských aplikací. Před 15 lety byly tyto lasery velkými sálovými počítači, které vyžadovaly každodenní čištění optiky. , pravidelná údržba chladicí vody a neustálá optimalizace parametrů laseru.
Dnes pevné a optické platformy využívající osvědčenou technologii zesílení vláken fotonického krystalu a architektury zesílení chirped-puls vytvořily kompaktní, spolehlivé a levné femtosekundové lasery.
V dnešních ultrakrátkých zdrojích je dutina laseru plynotěsná a pro účinnější izolaci od okolního prostředí jsou uzavřeny ještě větší dutiny pro zesílení disku nebo desky. To znamená, že moderní ultrarychlé lasery již není třeba ručně kalibrovat v terénu a jsou méně ovlivňovány změnami teploty nebo vlhkosti.
„Pokud jste před desítkami let silně kýchli vedle ultrarychlého laseru, mohlo by dojít k nesprávnému vyrovnání nebo ztrátě uzamčení režimu,“ řekla Heather George, produktová manažerka TRUMPF, „Příchod semenových laserů s pasivním uzamčením režimu namísto semen s uzamčeným aktivním režimem lasery, umožnila průmyslové ultrarychlé lasery."
Kompletní femtosekundové laserové zdroje jsou nyní dostupné v různých cenových relacích, stejně jako flexibilní doby trvání pulzu, energie pulzu, průměrné výkony a parametry paprsku.
Mnohé z těchto systémů jdou dále integrací funkcí, jako je automatická předkompenzace nežádoucího skupinového rozptylu rychlosti nebo integrované akusticko-optické modulátory, které umožňují řízení průměrného výkonu, energie na pulz a opakovací frekvence.
"Kromě drobného a pomalého zhoršování výkonu spojeného s přirozeným stárnutím součástí nevyžaduje kompletní laser žádné pravidelné úpravy nebo reoptimalizaci ze strany uživatele a měl by být dálkově diagnostikován a nabízet vzdálený servisní zásah, aby se maximalizovala doba provozu." řekl Marco Arrigoni, ředitel marketingu společnosti Coherent Corp.
Zatímco uživatelsky přívětivé ultrarychlé systémy jsou stále dostupnější, lepší porozumění parametrům těchto laserů může pomoci zlepšit jejich propustnost, kvalitu a efektivitu aplikací. Ultrarychlé lasery na bázi vláken mohou fungovat roky s minimální údržbou a jsou relativně dostupné. Typické femtosekundové vláknové lasery s výstupním výkonem menším než 10 W, opakovacími frekvencemi mezi 80 a 100 MHz a energií pulsů mezi 10 a 20 nJ stojí asi 50 $,000, což je asi polovina ceny dřívějších produktů.
Náklady se však zvyšují se zvyšujícím se průměrným výkonem/energií pulsu. Současné ultrarychlé lasery mají průměrný výkon mezi 10 a 200 W, šířky pulzu menší než 300 fs, energie pulzu mezi 0,1 a 2 mJ a energie impulzu 8 mJ. Ceny těchto laserů se pohybují v rozmezí 80000 až 100 USD000.
Bernhard Wolfring, produktový manažer pro ultrarychlé lasery ve společnosti TOPTICA Photonics AG, říká, že konstrukční řešení musí brát v úvahu cenu versus fyzikální vlastnosti požadovaného laserového nástroje. „Minimální požadovaný výkon neumožňuje snížit náklady pod určitou úroveň,“ říká. "Na druhou stranu požadavek na maximální výkon pomáhá vyhnout se předimenzování systému z hlediska nákladů a funkčnosti. Výsledkem je obvykle optimální rovnováha mezi designem a cenou a designem a parametry u specializovaných laserových systémů."
Aplikace 1: Zpracování materiálů
Femtosekundové lasery se nadále používají v široké škále aplikací zpracování materiálů, jako je řezání fólií pro ploché panely, mikroobráběcí lékařské lešení a rýhování plátků.
Femtosekundové pulzy mají za následek lepší kvalitu v aplikacích mikroobrábění ve srovnání s piko- nebo nanosekundovými pulzy, částečně proto, že femtosekundové pulzy minimalizují dopad tepelných defektů, jako jsou tepelně ovlivněné zóny (HAZ) nebo nečistoty kolem oblasti zpracování. Stojí za zmínku, že tyto výhody mají svůj konečný výsledek: u většiny materiálů pulsy kratší než 350 fs nezlepšují efektivitu obrábění a mohou vyžadovat dražší optiku. Navíc samotná šířka pulzu je jen částí problému.
Hui Imam, ředitel strategického marketingu pro ultrarychlé lasery ve společnosti NKT Photonics, říká: "Myslíme si, že šířka pulzu může být trochu zavádějící. Důležitým parametrem je špičkový výkon, což je množství energie dodané za krátkou femtosekundu. Čím vyšší je špička energie pro daný krátký femtosekundový puls, tím více materiálu je odstraněno s menším tepelným dopadem."
Snížené tepelné zpracování je kritické pro materiály citlivé na teplotu nebo mechanicky, jako je Nitinol, polymery, materiály se vstřikováním léčiv nebo tenká dielektrika.
Energie pulzu a průměrný výkon ultrarychlých vláknových laserů jsou omezeny prahem poškození vlákna. Zesilovací struktury, jako jsou deskové a diskové zesilovače, mohou produkovat vyšší pulzní energie a průměrné výkony. Přicházejí však také s většími rozměry, vyšší cenou a přísnějšími požadavky na chlazení.
Průměrný výkon a opakovací frekvence určují maximální energii pulzu, které lze dosáhnout jediným laserovým pulzem. Pro většinu aplikací zpracování materiálů závisí optimální energie pulzu na takzvaném ablačním prahu.
Práh se liší materiál od materiálu, ale jakmile energie pulzu překročí ablační práh materiálu, proces se nasytí. V podstatě plazma vytvořená během procesu ablace absorbuje následné pulsy, což zvyšuje teplo a snižuje efektivitu zpracování.
"Pro ablaci většiny materiálů je typická energie pulzu při použití femtosekundových pulzů mezi {{0}},02 až 0,2 mJ." řekl George.
Extrémně vysoká hustota výkonu femtosekundových laserových pulsů také indukuje dvou- nebo vícefotonovou absorpci v materiálu, což má za následek trojrozměrné struktury s jemným rozlišením za hranicemi optické difrakce. Na rozdíl od tradičních mikro/nano výrobních technik nabízí zpracování femtosekundovým laserem jak velikost prvků v nanoměřítku, tak trojrozměrné architektonické schopnosti.
Množství světelné energie přenesené na jednotku plochy (nazývané laserová fluence) určuje účinnost rychlosti ablace (mm3/min/W). U většiny materiálů je optimální špičková hodnota fluence, která kombinuje nejvyšší kvalitu zpracování s nejúčinnějším využitím světelné energie, přibližně 1 J/cm2.
Jim Bovatsek, Senior Application Engineering Manager ve společnosti MKS Spectra-Physics, říká: "Toky pod vrcholem vedou k prudkému poklesu účinnosti, zatímco vyšší toky vedou k postupnému snižování účinnosti." To umožňuje vyšší propustnost běhu s vyššími opakovacími frekvencemi, což má za následek vyšší průměrný výkon.
V určitém okamžiku se však buď pomocné pohybové/snímací zařízení nepohybuje dostatečně rychle, nebo je schopnost materiálu odvádět zbytkovou tepelnou energii nedostatečná, případně obojí a výsledkem je méně než ideální tepelně ovlivněná zóna.
U řezných materiálů, jako je nitinol, se frekvence opakování laseru a energie pulzu 100 kHz a ~80 µJ, v tomto pořadí, zdají být horní hranicí, než se začne tvořit tepelně ovlivněná zóna (HAZ), zatímco frekvence pulzu vyšší než 2 MHz s výkonem větším než 100 W lze použít k řezání polymerních filmů, jako je polyethylentereftalát a polyimid, řekl Bovatsek.
Aplikace 2: Označování lékařských dílů
Femtosekundové lasery mohou být ideálním technickým řešením pro značení opakovaně použitelných zdravotnických prostředků, pokud objem výroby kompenzuje cenu laseru.
Roste aplikace pro označování zdravotnických prostředků trvalými 2D čárovými kódy v černé nebo tmavé barvě, pomocí kterých lze tyto nástroje registrovat a sledovat, kdy jsou čištěny.
Označení těchto položek obvykle vyžaduje použití levnějších nanosekundových pulzních laserů. Tyto značkovače jsou chemicky ošetřeny, aby byly odolné vůči korozi. Femtosekundové lasery však vytvářejí nesmazatelnou stopu, která časem nekoroduje a neoxiduje, takže další kroky chemického ošetření nemusí být nutné.
Zpracování kovů pomocí pikosekundových nebo femtosekundových laserů vytváří malé periodické struktury v nanoměřítku, které se projevují jako vysoce kontrastní černé značky," říká George ze společnosti Tonson. Tyto černé značky jsou nezávislé na pozorovacím úhlu a zobrazují černý kontrast při jakémkoli úhlu pohledu."
Pokračuje výzkum, zda femtosekundové pulzy mohou dosáhnout lepší kvality markerů než pikosekundové pulzy. Vyšší opakovací frekvence však umožňují rychlejší skenování a tím kratší doby cyklu. Proto aplikace lékařského značení musí zvážit kompromis mezi rychlostí a kvalitou.
V černém značení, nízké pulzní energie (<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."
Aplikace 3: Svařování a řezání
Zpracování křehkých materiálů, jako je sklo, je dalším vznikajícím průmyslovým trhem pro femtosekundové lasery.
Podle Antonia Castela, manažera technologie fotoniky v European Photonics Industry Consortium (EPIC), zpracování skla vyžaduje přesnou kombinaci vlnové délky a energie pulzu. Nepoužití správných parametrů má často za následek přidání dalších leštících kroků na konci procesu.
Castelo říká: "Některé procesy používané pro skleněné a polymerní materiály mohou vyžadovat různé vlnové délky v blízké a střední infračervené oblasti a nyní je k dispozici celá řada řešení v 2- a 3-mikrometrech."
Řezání a svařování skla nebo čirých křehkých plastů vyžaduje speciální optiku pro dosažení určitého pulzního profilu známého jako Besselův paprsek. Tento paprsek vytváří řadu lineárních ohnisek na zpracovávaném materiálu, podobně jako tenký laserový nůž, který dokáže upravit materiál v jediném průchodu.
Maximální tloušťka, kterou lze zpracovat, je omezena energií pulzu. Čím silnější je materiál, tím vyšší je potřeba pulzní energie.
Pro svařování skla se energie pulzu pohybuje od {{0}}.01 mJ až 0,04 mJ v závislosti na typu materiálu a pro řezání skla energie pulzu 0,1 mJ až 2 mJ lze použít v závislosti na tloušťce zpracovávaného vzorku," říká Huerta-Murillo z ThruPoint. Laserové řezání skleněných desek o tloušťce až 12 mm již bylo realizováno v Thomson Application Laboratory."
Doba trvání pulsu je dalším důležitým faktorem při zpracování skla. Například řezání čirého skla lze provádět pomocí pikosekundových pulzů. Ale pro svařování čirého skla jsou femtosekundové pulsy užitečnější, protože dosahují vyššího špičkového výkonu, což způsobuje tavení skla v konkrétní lokalizované oblasti.
Aplikace 4: Multifotonová mikroskopie
Femtosekundové pulzy jsou zvláště vhodné pro indukci multifotonových aplikací, které jsou cenné pro biologické a vědecké zobrazovací aplikace, jako je nelineární mikroskopie, dvoufotonová optogenetika a třífotonové zobrazování.
Primárními koncovými uživateli na těchto trzích jsou biologové a neurovědci s omezeným optickým zázemím. Pro tyto koncové uživatele je obzvláště atraktivní přidání funkcí pro zjednodušení laserových nástrojů.
Vždy se to vrací k přidané hodnotě pro uživatele, nejčastěji ve smyslu snadného použití a použitelnosti," říká Arrigoni z Coherent. Uživatelé v základních zobrazovacích laboratořích, kteří se často otáčejí a nemají zkušenosti, mohou těžit z celé sady na klíč výkon a ochotně akceptujte dvojnásobnou cenu laserového systému na klíč."
Asi 80 procent vědeckých aplikací pro ultrarychlé lasery je realizováno pomocí laserů na klíč, které mají průměrný výkon 10 W, pulzní frekvence mezi 1 kHz a 10 MHz, šířky pulzu, které jsou nastavitelné mezi 20 fs a 200 fs, a laditelné vlnové délky mezi 200 nm a 1,000 nm.
U femtosekundových laserů zaměřujících se na multifotonové jevy v aplikacích biologických věd je obvykle nejdůležitějším faktorem pulzní energie nebo špičkový výkon, řekl Wolfring. Pro dosažení dobrých výsledků je třeba tyto parametry udržovat v určitém rozmezí. Pokud je výkon příliš nízký, účinnost dvoufotonového procesu nemusí být dostatečná k vytvoření mikroskopických snímků s dobrým kontrastem. Pokud jsou parametry příliš vysoké, mikroskopický snímek může ukazovat vzorky spálené tkáně.
Obecně platí, že aplikace multifotonového zobrazování vyžadují, aby lasery vydávaly desítky až stovky nanojoulů energie mezi 1 a 100 MHz pulzními frekvencemi, aby podpořily rychlé skenování obrazu a zabránily poškození biologických vzorků.
V zásadě platí, že čím kratší pulz, tím vyšší nelineární efekty, ale udržení krátké šířky pulzu při šíření optickým systémem je důležitým faktorem; parametry, jako jsou rozptylové a kompenzační efekty, se stávají důležitými.
Jak vyvážit ideál s realitou?
Od spektroskopie po fotonické výpočty, ultrarychlé lasery stále nacházejí nové oblasti použití.
Zákazníci v těchto oborech požadují od svých laserů flexibilitu a laditelnost, ale životnost ultrarychlých zdrojů zatím neodpovídá velikosti trhu. podle Floriana Emauryho, generálního ředitele společnosti Menhir Photonics, jsou kompromisy při dodávání produktů na tyto rozvíjející se trhy výzvou, kterou stojí za to splnit.
Návrh ultrarychlých laserových systémů pro tyto trhy musí vyvažovat potřeby zákazníků s přiměřenými výsledky z hlediska spolehlivosti a vyrobitelnosti. Vybudování robustního systému na klíč vyžaduje opakované kroky – počínaje stanovením minimálních specifikací potřebných pro požadovanou aplikaci.
Emaury říká, že požadavky zákazníků jsou vždy přiměřené pro to, co potřebují, ale zákazníci jen zřídka zvažují, co chtějí z hlediska spolehlivosti a opakovatelnosti pro systém, který potřebují. Zvažování nákladů na vlastnictví laseru po mnoho let je klíčové.
Budoucí pokrok?
Ultrarychlé lasery jsou stále kompaktnější, navíc se snáze používají a mají konkurenceschopnější cenu. Systémy na bázi vláken umožňují flexibilnější dodávání paprsku, což umožňuje snadnou integraci do úzkých výrobních linek, mikroskopických systémů nebo lékařských prostředí.
Menší rozměry také umožňují instalaci ultrarychlých laserů do menších zařízení, jako jsou fotonické výpočetní architektury, kde přesnost ultrakrátkých pulzů umožňuje fotonickým mikroprocesorům provádět výpočty rychleji s menší energií.
Emaury říká: "Vidíme to jako trh s velmi vysokou poptávkou a plánujeme vyrábět stovky tisíc, ne-li miliony, laserů ročně." Samozřejmě, že prozatím budou tyto lasery menší než velikost mobilního telefonu, ale budou základní součástí každého špičkového počítače."
Lasery specializované na fotonické výpočty budou muset poskytovat opakovací frekvence na gigahertzové úrovni a přesně načasovat každý puls v rámci okna 10 fs.
I když tento a další trhy mohou vyžadovat složité parametry, které dnešní lasery ještě neumožňují, jejich nedávné pokroky podporují nový vývoj.
Jak se ultrarychlé lasery vyvíjejí, robustnější a všestrannější výkon, pokud jde o opakovací frekvenci, vlnovou délku a trvání pulzu, nevyhnutelně povede k velkému zlomu v rozšíření jejich aplikací. Zdá se však, že mezi tím, jak tato technologie pohání trh, existuje určitý druh vzájemného dávání a přijímání.
"Vývoj vláknových laserů v posledních letech ukázal, že nové vlnové délky laseru a nové úrovně výkonu, kterých lze dosáhnout pomocí nových koncepcí, jako je zesílení cvrlikání pulzů, poskytují důležitý technologický tlak pro vláknové lasery, aby vstoupily na současné klíčové trhy." řekl Wolfring. Přeloženo pomocí www.DeepL.com/Translator (bezplatná verze)
