Лазерите с ултракъси импулси, като фемтосекундните лазери, все повече се превръщат в лесни за използване plug-and-play устройства, подходящи за широк спектър от промишлени и биомедицински приложения. Преди петнадесет години тези лазери бяха големи мейнфрейми, които изискваха ежедневно почистване на оптиката , редовна поддръжка на охлаждащата вода и постоянна оптимизация на параметрите на лазера.
Днес твърдотелни и фиброоптични платформи, използващи доказана технология за усилване на фотонни кристални влакна и архитектури за усилване на чирпирани импулси, са произвели компактни, надеждни и евтини фемтосекундни лазери.
В днешните ултракъси източници лазерната кухина е газонепроницаема и дори по-големи кухини за усилване на дискове или плочи са затворени за по-ефективна изолация от околната среда. Това означава, че модерните свръхбързи лазери вече не се нуждаят от ръчно калибриране на място и са по-малко засегнати от промените в температурата или влажността.
„Преди десетилетия, ако кихнахте силно до ултрабърз лазер, той можеше да не се настрои или да загуби заключване на режима“, каза Хедър Джордж, продуктов мениджър на TRUMPF, „Появата на лазери с пасивно заключен режим, вместо начален код с активен режим лазери, направи възможни индустриалните свръхбързи лазери."
Вече се предлагат пълни фемтосекундни лазерни източници на различни ценови точки, както и гъвкави продължителности на импулса, енергия на импулса, средна мощност и параметри на лъча.
Много от тези системи отиват по-далеч, като интегрират функции като автоматична предварителна компенсация за нежелана групова скоростна дисперсия или интегрирани акусто-оптични модулатори, които позволяват контрол на средната мощност, енергия на импулс и честота на повторение.
„Освен незначителното и бавно влошаване на производителността, свързано с естественото стареене на компонентите, пълният лазер не изисква никакви периодични настройки или повторна оптимизация от потребителя и трябва да се диагностицира от разстояние и да предлага намеса от дистанционно обслужване, за да се увеличи максимално времето за работа.“ каза Марко Аригони, директор маркетинг в Coherent Corp.
Въпреки че удобните за потребителя ултрабързи системи стават все по-достъпни, по-доброто разбиране на параметрите на тези лазери може да помогне за подобряване на тяхната производителност, качество и ефективност на приложението. Свръхбързите лазери, базирани на влакна, могат да работят години наред с малко поддръжка и са сравнително достъпни. Типичните фемтосекундни влакнести лазери с изходна мощност под 10 W, честоти на повторение между 80 и 100 MHz и импулсна енергия между 10 и 20 nJ струват около $50, 000, около половината от цената на по-ранните продукти.
Разходите обаче се увеличават с увеличаване на средната мощност/импулсна енергия. Настоящите свръхбързи лазери имат средна мощност между 10 и 200 W, ширина на импулса по-малка от 300 fs, енергия на импулса между 0,1 и 2 mJ и енергия на импулс от 8 mJ. Цените на тези лазери са в диапазона от $80,000 до $100,000.
Бернхард Волфринг, продуктов мениджър за свръхбързи лазери в TOPTICA Photonics AG, казва, че дизайнерското решение трябва да вземе предвид цената спрямо физическите характеристики на необходимия лазерен инструмент. „Минималната необходима мощност не позволява разходите да бъдат намалени под определено ниво“, казва той. "От друга страна, изискването за максимална мощност помага да се избегне свръхразмеряването на системата по отношение на разходите и функционалността. Резултатът обикновено е оптимален баланс между дизайн и цена, както и дизайн и параметри, за специализирани лазерни системи."
Първо приложение: Обработка на материали
Фемтосекундните лазери продължават да се използват в широк спектър от приложения за обработка на материали, като рязане на фолио за дисплеи с плосък панел, медицински скелета за микромашинна обработка и писане на пластини.
Фемтосекундните импулси водят до по-добро качество в приложенията за микрообработка в сравнение с пико- или наносекундните импулси, отчасти защото фемтосекундните импулси минимизират въздействието на топлинни дефекти, като зони, засегнати от топлина (HAZ) или отломки около обработващата зона. Струва си да се отбележи, че има долната линия на тези предимства: за повечето материали импулсите, по-къси от 350 fs, не подобряват ефективността на обработката и може да изискват по-скъпа оптика. Освен това самата ширина на импулса е само част от проблема.
Хуи Имам, директор на стратегическия маркетинг за свръхбързи лазери в NKT Photonics, казва: „Смятаме, че ширината на импулса може да бъде малко подвеждаща. Важният параметър е пиковата мощност, което е количеството енергия, доставена за кратка фемтосекунда. Колкото по-висок е пикът мощност за даден кратък фемтосекунден импулс, толкова повече материал се аблира с по-малко топлинно въздействие."
Намалената термична обработка е критична за чувствителни към температура или механични материали материали като нитинол, полимери, инжектирани с лекарства материали или тънки диелектрици.
Енергията на импулса и средната мощност на ултрабързите влакнести лазери са ограничени от прага на увреждане на влакното. Структурите за усилване, като пластинчати и дискови усилватели, могат да произведат по-високи импулсни енергии и средни мощности. Но те също идват с по-голям отпечатък, по-висока цена и по-строги изисквания за охлаждане.
Средната мощност и честотата на повторение определят максималната импулсна енергия, която може да бъде постигната с един лазерен импулс. За повечето приложения за обработка на материали оптималната импулсна енергия зависи от така наречения праг на аблация.
Прагът варира от материал до материал, но след като импулсната енергия надвиши прага на аблация на материала, процесът се насища. По същество плазмата, създадена по време на процеса на аблация, абсорбира последващи импулси, което увеличава топлината и намалява ефективността на обработката.
„За аблация на повечето материали типичната импулсна енергия при използване на фемтосекундни импулси е между {{0}}.02 и 0.2 mJ.“ каза Джордж.
Изключително високата плътност на мощността на фемтосекундните лазерни импулси също предизвиква дву- или многофотонна абсорбция в материала, което води до триизмерни структури с фина разделителна способност отвъд границите на оптичната дифракция. За разлика от традиционните микро/нано производствени техники, фемтосекундната лазерна обработка предлага както наномащабен размер на характеристиките, така и триизмерни архитектурни възможности.
Количеството светлинна енергия, предадена на единица площ (наречено лазерно облъчване) определя ефективността на скоростта на аблация (mm3/min/W). За повечето материали оптималната пикова стойност на флуенса, която съчетава най-високо качество на обработка с най-ефективно използване на светлинна енергия, е приблизително 1 J/cm2.
Джим Бовацек, старши инженерен мениджър на приложения в MKS Spectra-Physics, казва: „Потоците под пика водят до рязък спад в ефективността, докато по-високите потоци водят до постепенно намаляване на ефективността.“ Това позволява по-висока производителност чрез работа при по-високи честоти на повторение, което води до по-висока средна мощност.
В даден момент обаче или спомагателното оборудване за движение/сканиране не се движи достатъчно бързо, или способността на материала да разсейва остатъчната топлинна енергия е недостатъчна, или и двете, и резултатът е по-малко от идеалната зона, засегната от топлина.
За рязане на материали като нитинол честотата на повторение на лазера и енергията на импулса от 100 kHz и ~80 µJ, съответно, изглежда са горна граница, преди да започне да се образува зона, засегната от топлина (HAZ), докато честота на импулса по-голяма от 2 MHz с мощност над 100 W може да се използва за рязане на полимерни филми като полиетилен терефталат и полиимид, каза Бовацек.
Приложение 2: Маркиране на медицински части
Фемтосекундните лазери могат да бъдат идеалното техническо решение за маркиране на медицински изделия за многократна употреба, ако производственият обем компенсира цената на лазера.
Има нарастващо приложение за маркиране на медицински устройства с постоянни 2D баркодове в черни или тъмни цветове, които могат да се използват за регистриране на тези инструменти и за проследяване кога са почистени.
Обикновено маркирането на тези елементи изисква използването на по-евтини наносекундни импулсни лазери. Тези маркери са химически обработени, за да бъдат устойчиви на корозия. Фемтосекундните лазери обаче създават незаличима следа, която не корозира и не се окислява с течение на времето, така че може да не са необходими допълнителни стъпки за химическо третиране.
Обработката на метали с пикосекундни или фемтосекундни лазери произвежда малки периодични структури в наномащаба, които се показват като черни маркировки с висок контраст", казва Джордж от Тонсън. Тези черни маркировки са независими от ъгъла на гледане и показват черен контраст при всеки ъгъл на гледане."
Продължава изследването дали фемтосекундните импулси могат да постигнат по-добро качество на маркера от пикосекундните импулси. По-високите честоти на повторение обаче позволяват по-бързо сканиране и следователно по-кратки времена на цикъла. Следователно приложенията за медицинско маркиране трябва да вземат предвид компромиса между скорост и качество.
В черно маркиране, ниски импулсни енергии (<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."
Приложение 3: Заваряване и рязане
Обработката на крехки материали като стъкло е друг нововъзникващ индустриален пазар за фемтосекундни лазери.
Според Антонио Кастело, мениджър по фотонни технологии в Европейския консорциум на фотонната индустрия (EPIC), обработката на стъкло изисква точна комбинация от дължина на вълната и импулсна енергия. Неизползването на правилните параметри често води до добавяне на допълнителни полиращи стъпки в края на процеса.
Кастело казва: „Някои процеси, използвани за стъклени и полимерни материали, може да изискват различни дължини на вълните в близкия и средния инфрачервен диапазон, а пълната гама от решения вече е налична в 2- и 3-микрона.“
Рязане и заваряване на стъкло или прозрачни крехки пластмаси изисква специална оптика за постигане на определен импулсен профил, известен като лъч на Бесел. Този лъч създава серия от линейни фокуси върху материала, който се обработва, подобно на тънък лазерен нож, който може да модифицира материала с едно минаване.
Максималната дебелина, която може да бъде обработена, е ограничена от импулсната енергия. Колкото по-дебел е материалът, толкова по-висока е необходимата импулсна енергия.
За заваряване на стъкло импулсната енергия варира от {{0}}.01 mJ до 0,04 mJ, в зависимост от вида на материала, а за рязане на стъкло, импулсна енергия от 0,1 mJ до 2 mJ може да се използва в зависимост от дебелината на пробата, която ще се обработва", казва Huerta-Murillo от ThruPoint. Лазерното рязане на стъклени плочи с дебелина до 12 mm вече е реализирано в Thomson Application Laboratory."
Продължителността на импулса е друг важен фактор при обработката на стъкло. Например, рязането на прозрачно стъкло може да се извърши с пикосекундни импулси. Но за заваряване на прозрачно стъкло фемтосекундните импулси са по-полезни, защото постигат по-висока пикова мощност, което кара стъклото да се стопи в специфична локализирана област.
Приложение 4: Многофотонна микроскопия
Фемтосекундните импулси са особено подходящи за индуциране на многофотонни приложения, които са ценни за биологични и научни приложения за изобразяване като нелинейна микроскопия, двуфотонна оптогенетика и трифотонно изобразяване.
Основните крайни потребители на тези пазари са биолози и невролози с ограничен оптичен опит. Добавянето на функционалност за опростяване на лазерните инструменти е особено привлекателно за тези крайни потребители.
Винаги се връща към добавената стойност за потребителя, най-често от гледна точка на лекота на използване и използваемост", казва Арригони от Coherent. Потребителите в основните лаборатории за изображения, които често се сменят и нямат опит, могат да се възползват от пълен набор от готови до ключ производителност и с готовност приема два пъти по-висока цена от лазерна система до ключ."
Около 80 процента от научните приложения за свръхбързи лазери се реализират с готови лазери, които имат средна мощност от 10 W, импулсни честоти между 1 kHz и 10 MHz, импулсни ширини, които могат да се регулират между 20 fs и 200 fs, и регулируеми дължини на вълните между 200 nm и 1,000 nm.
За фемтосекундни лазери, насочени към многофотонни явления в приложенията на науките за живота, импулсната енергия или пиковата мощност обикновено е най-важният фактор, каза Волфринг. За да получите добри резултати, тези параметри трябва да се поддържат в определен диапазон. Ако мощността е твърде ниска, ефективността на двуфотонния процес може да не е достатъчна за създаване на микроскопични изображения с добър контраст. Ако параметрите са твърде високи, микроскопското изображение може да покаже проби от изгорена тъкан.
Като цяло приложенията за многофотонни изображения изискват лазерите да извеждат десетки до стотици наноджаули енергия между 1 и 100 MHz импулсни честоти, за да поддържат бързо сканиране на изображения и да избегнат увреждане на биологични проби.
По принцип, колкото по-къс е импулсът, толкова по-високи са нелинейните ефекти, но поддържането на къса ширина на импулса, докато се разпространява през оптичната система, е важен фактор; параметри като дисперсия и компенсационни ефекти стават важни.
Как да балансираме идеала с реалността?
От спектроскопията до фотонните изчисления, свръхбързите лазери все още намират нови области на приложение.
Клиентите в тези области изискват гъвкавост и регулируемост от своите лазери, но животът на свръхбързите източници все още не отговаря на размера на пазара. според Флориан Емори, главен изпълнителен директор на Menhir Photonics, компромисите за доставка на продукти на тези нововъзникващи пазари са предизвикателство, което си струва да се посрещне.
Проектирането на свръхбързи лазерни системи за тези пазари трябва да балансира нуждите на клиентите с разумни резултати по отношение на надеждност и технологичност. Изграждането на стабилна система до ключ изисква итеративни стъпки - като се започне с определяне на минималните спецификации, необходими за желаното приложение.
Emaury казва, че изискванията на клиентите винаги са разумни за това, от което се нуждаят, но клиентите рядко вземат предвид какво искат по отношение на надеждност и повторяемост за системата, от която се нуждаят. Разглеждането на разходите за притежание на лазера в продължение на много години е от ключово значение.
Бъдещ напредък?
Свръхбързите лазери стават все по-компактни, освен че са по-лесни за използване и на по-конкурентни цени. Системите, базирани на влакна, позволяват по-гъвкаво доставяне на лъч, което позволява лесно интегриране в тесни производствени линии, микроскопски системи или медицински среди.
По-малките отпечатъци също така позволяват ултрабързи лазери да бъдат инсталирани в по-малки устройства, като например фотонни изчислителни архитектури, където прецизността на ултракъсите импулси позволява на фотонните микропроцесори да извършват изчисления по-бързо с по-малко енергия.
Emaury казва: „Виждаме това като пазар с много високо търсене и планираме да произвеждаме стотици хиляди, ако не и милиони, лазери годишно.“ Разбира се, засега тези лазери ще бъдат по-малки от размера на мобилен телефон, но те ще бъдат основният компонент на всеки компютър от висок клас."
Лазерите, специализирани за фотонни изчисления, ще трябва да осигурят честота на повторение на ниво гигахерц и точно време на всеки импулс в рамките на прозорец от 10fs.
Докато този и други пазари може да изискват сложни параметри, които все още не са възможни с днешните лазери, последните им постижения подхранват нови разработки.
С развитието на ултрабързите лазери, по-стабилната и гъвкава производителност по отношение на честота на повторение, дължина на вълната и продължителност на импулса неизбежно ще доведе до голям пробив в разширяването на техните приложения. Но изглежда има някакво взаимно даване и вземане между начина, по който технологията движи пазара.
„Развитието на влакнестите лазери през последните години показа, че новите лазерни дължини на вълните и новите нива на мощност, които могат да бъдат постигнати чрез нови концепции като усилване на чирпирания импулс, осигуряват важен технологичен тласък за влакнестите лазери да навлязат на текущите ключови пазари.“ каза Волфринг. Преведено с www.DeepL.com/Translator (безплатна версия)
