Ultrakratki pulsni laseri, kao što su femtosekundni laseri, sve više postaju plug-and-play uređaji jednostavni za korištenje pogodni za širok spektar industrijskih i biomedicinskih primjena. Prije petnaest godina, ovi laseri su bili veliki mainframe koji su zahtijevali svakodnevno čišćenje optike , redovno održavanje rashladne vode i stalna optimizacija parametara lasera.
Danas, solid-state i fiber-optičke platforme koje koriste dokazanu tehnologiju pojačanja fotonskih kristalnih vlakana i arhitekturu za pojačavanje čipovanih impulsa, proizvele su kompaktne, pouzdane i jeftinije femtosekundne lasere.
U današnjim ultrakratkim izvorima, laserska šupljina je nepropusna za gas, a čak i veće šupljine za pojačavanje diska ili ploča su zatvorene radi efikasnije izolacije od okoline. To znači da moderni ultrabrzi laseri više ne moraju biti ručno kalibrirani na terenu i na njih manje utiču promjene temperature ili vlažnosti.
"Pre nekoliko decenija, ako ste snažno kihnuli pored ultrabrzog lasera, mogao bi se pogrešno uskladiti ili izgubiti zaključavanje moda", rekla je Heather George, menadžer proizvoda TRUMPF-a, "Pojava pasivno zaključanih lasera semena, umesto aktivnog semena sa zaključavanjem moda laseri, omogućio je industrijske ultrabrze lasere."
Kompletni femtosekundni laserski izvori su sada dostupni po različitim cijenama, kao i fleksibilno trajanje impulsa, energije impulsa, prosječne snage i parametri snopa.
Mnogi od ovih sistema idu dalje integracijom karakteristika kao što su automatska predkompenzacija za neželjenu disperziju grupne brzine ili integrisani akusto-optički modulatori, koji omogućavaju kontrolu prosečne snage, energije po impulsu i stope ponavljanja.
"Osim manjeg i sporog pogoršanja performansi povezanih sa prirodnim starenjem komponenti, kompletan laser ne zahtijeva nikakva periodična prilagođavanja ili ponovnu optimizaciju od strane korisnika, a trebao bi biti dijagnostički na daljinu i nuditi intervenciju na daljinu kako bi se maksimiziralo vrijeme rada." rekao je Marco Arrigoni, direktor marketinga u Coherent Corp.
Dok ultrabrzi sistemi prilagođeni korisniku postaju sve dostupniji, bolje razumijevanje parametara ovih lasera može pomoći u poboljšanju njihove propusnosti, kvaliteta i efikasnosti primjene. Ultrabrzi laseri bazirani na vlaknima mogu raditi godinama uz malo održavanja i relativno su pristupačni. Tipični femtosekundni fiber laseri sa izlaznom snagom manjom od 10 W, frekvencijom ponavljanja između 80 i 100 MHz i impulsnom energijom između 10 i 20 nJ koštaju oko 50 USD,000, što je oko pola cijene od ranijih proizvoda.
Međutim, cijena raste kako se povećava prosječna snaga/pulsna energija. Trenutni ultrabrzi laseri imaju prosječnu snagu između 10 i 200 W, širinu impulsa manju od 300 fs, energiju impulsa između 0,1 i 2 mJ i energiju praska od 8 mJ. Cijene ovih lasera su u rasponu od 80 USD,000 do 100 USD,000.
Bernhard Wolfring, menadžer 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 dozvoljava da se troškovi smanje ispod određenog nivoa“, kaže on. "S druge strane, maksimalna potreba za snagom pomaže da se izbjegne predimenzioniranje sistema u smislu troškova i funkcionalnosti. Rezultat je obično optimalna ravnoteža između dizajna i troškova, te dizajna i parametara, za specijalizovane laserske sisteme."
Primjena prva: Obrada materijala
Femtosekundni laseri nastavljaju da se koriste u širokom spektru aplikacija za obradu materijala, kao što je rezanje folija za displeje sa ravnim ekranom, mikromašinska obrada medicinskih skela i scribing.
Femtosekundni impulsi rezultiraju boljim kvalitetom u aplikacijama mikromašinske obrade u odnosu na piko- ili nanosekundne impulse, 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 linija ovih prednosti: za većinu materijala impulsi kraći od 350 fs ne poboljšavaju efikasnost obrade i mogu zahtijevati skuplju optiku. Osim toga, sama širina impulsa je samo dio problema.
Hui Imam, direktor strateškog marketinga za ultrabrze lasere u NKT Photonics, kaže: "Smatramo da širina impulsa može biti pomalo obmanjujuća. Važan parametar je vršna snaga, što je količina energije koja se isporučuje u kratkoj femtosekundi. Što je veći vrh snage za dati kratki femtosekundni impuls, što se više materijala ablira sa manjim termičkim udarom."
Smanjena toplinska obrada je kritična za materijale osjetljive na temperaturu ili mehanički kao što su nitinol, polimeri, materijali ubrizgani lijekovima ili tanki dielektrici.
Energija impulsa i prosječna snaga ultrabrzih lasera s vlaknima ograničeni su pragom oštećenja vlakana. Strukture pojačanja kao što su pločasti i disk pojačala mogu proizvesti veće energije impulsa i prosječne snage. Ali oni takođe dolaze sa većim otiskom, višom cenom i strožim zahtevima za hlađenjem.
Prosječna snaga i stopa ponavljanja određuju maksimalnu energiju impulsa koja se može postići jednim laserskim impulsom. Za većinu aplikacija obrade materijala, optimalna energija impulsa ovisi o takozvanom pragu ablacije.
Prag varira od materijala do materijala, ali kada energija impulsa pređe prag ablacije materijala, proces postaje zasićen. U suštini, plazma stvorena tokom procesa ablacije apsorbuje naknadne impulse, što povećava toplotu i smanjuje efikasnost obrade.
"Za ablaciju većine materijala, tipična energija impulsa kada se koriste femtosekundni impulsi je između {{0}}.02 i 0.2 mJ." rekao je George.
Izuzetno velika gustina snage femtosekundnih laserskih impulsa također inducira dvo- ili višefotonsku apsorpciju u materijalu, što rezultira trodimenzionalnim strukturama s finom rezolucijom izvan granica optičke difrakcije. Za razliku od tradicionalnih tehnika mikro/nano proizvodnje, femtosekundna laserska obrada nudi i veličinu karakteristika nanorazmjera i trodimenzionalne arhitektonske mogućnosti.
Količina svjetlosne energije koja se prenosi po jedinici površine (nazvana laserski fluens) određuje efikasnost brzine ablacije (mm3/min/W). Za većinu materijala, optimalna vršna vrijednost fluence koja kombinuje najviši kvalitet obrade s najefikasnijim korištenjem svjetlosne energije je približno 1 J/cm2.
Jim Bovatsek, viši menadžer za inženjering aplikacija u MKS Spectra-Physics, kaže: "Tokovi ispod maksimuma rezultiraju naglim padom efikasnosti, dok veći fluksovi rezultiraju postepenim smanjenjem efikasnosti." Ovo omogućava veću propusnost trčanjem pri većim stopama ponavljanja, što rezultira višom prosječnom snagom.
U nekom trenutku, međutim, ili se pomoćna oprema za kretanje/skeniranje ne kreće dovoljno brzo, ili je sposobnost materijala da rasprši preostalu toplinsku energiju nedovoljna, ili oboje, a rezultat je manje od idealne zone pod utjecajem topline.
Za materijale za rezanje kao što je nitinol, frekvencija ponavljanja lasera i energija impulsa od 100 kHz i ~80 µJ, respektivno, izgledaju kao gornja granica prije nego što zona pod utjecajem topline (HAZ) počne da se formira, dok je frekvencija impulsa 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 medicinskih uređaja za višekratnu upotrebu ako obim proizvodnje kompenzira cijenu lasera.
Sve je više aplikacija za označavanje medicinskih uređaja trajnim 2D bar kodovima u crnim ili tamnim bojama, koje se mogu koristiti za registraciju ovih alata i praćenje kada se čiste.
Tipično, označavanje ovih stavki zahtijeva korištenje jeftinijih nanosekundnih impulsnih lasera. Ovi markeri su hemijski tretirani kako bi bili otporni na koroziju. Međutim, femtosekundni laseri proizvode neizbrisiv trag koji ne korodira i ne oksidira tokom vremena, tako da dodatni koraci hemijskog tretmana možda neće biti potrebni.
Obrada metala pikosekundnim ili femtosekundnim laserima proizvodi male periodične strukture na nanoskali koje se pojavljuju kao crne oznake visokog kontrasta", kaže George iz Tonson. Ove crne oznake su nezavisne od ugla gledanja i pokazuju crni kontrast pod bilo kojim uglom gledanja."
Istraživanja se nastavljaju o tome mogu li femtosekundni impulsi postići bolji kvalitet markera od pikosekundnih impulsa. Međutim, veće stope ponavljanja omogućavaju brže skeniranje, a time i kraće vrijeme ciklusa. Stoga, aplikacije za medicinsko označavanje moraju uzeti u obzir kompromis između brzine i kvaliteta.
U crnoj oznaci, niske energije impulsa (<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 je još jedno novo industrijsko tržište za femtosekundne lasere.
Prema Antoniju Kastelu, menadžeru fotoničke tehnologije u Evropskom konzorcijumu fotoničke industrije (EPIC), obrada stakla zahteva tačnu kombinaciju talasne dužine i energije impulsa. Ako se ne koriste ispravni parametri, često se dodaju dodatni koraci poliranja na kraju procesa.
Castelo kaže: "Neki procesi koji se koriste za staklo i polimerne materijale mogu zahtijevati različite talasne dužine u bliskom i srednjem infracrvenom spektru, a cijeli niz rješenja je sada dostupan u 2- i 3- mikronima."
Rezanje i zavarivanje stakla ili prozirne lomljive plastike zahtijeva posebnu optiku za postizanje određenog pulsnog profila poznatog kao Besselov snop. Ovaj snop 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, energija impulsa se kreće od {{0}}.01 mJ do 0,04 mJ, u zavisnosti od vrste materijala, a za rezanje stakla energija impulsa od 0,1 mJ do 2 mJ se može koristiti, ovisno o debljini uzorka koji se obrađuje", kaže Huerta-Murillo iz ThruPointa. Lasersko sečenje staklenih ploča debljine do 12 mm već je realizovano u Thomson Application Laboratory.
Trajanje impulsa je još 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 da se staklo topi u određenom lokaliziranom području.
Primjena 4: Multifotonska mikroskopija
Femtosekundni impulsi su posebno pogodni za induciranje višefotonskih aplikacija koje su vrijedne za biološke i naučne primjene snimanja kao što su nelinearna mikroskopija, dvofotonska optogenetika i trofotonska slika.
Primarni krajnji korisnici na ovim tržištima su biolozi i neuroznanstvenici s ograničenim optičkim iskustvom. Dodavanje funkcionalnosti za pojednostavljenje laserskih alata posebno je privlačno za ove krajnje korisnike.
Uvijek se vraća na dodatnu vrijednost za korisnika, najčešće u smislu jednostavnosti korištenja i upotrebljivosti", kaže Arrigoni iz Coherenta. Korisnici u osnovnim laboratorijama za snimanje, koji se često rotiraju i neiskusni, mogu imati koristi od kompletnog paketa "ključ u ruke" performanse i spremno prihvataju dva puta veću cenu od laserskog sistema ključ u ruke."
Oko 80 posto naučnih aplikacija za ultrabrze lasere realizuje se laserima po principu ključ u ruke, koji imaju prosječnu snagu od 10 W, frekvenciju impulsa između 1 kHz i 10 MHz, širinu impulsa koja se može podesiti između 20 fs i 200 fs, i podesive talasne dužine između 200 nm i 1,000 nm.
Za femtosekundne lasere koji ciljaju na višefotonske fenomene u aplikacijama prirodnih nauka, energija impulsa ili vršna snaga su obično najvažniji faktor, rekao je Wolfring. Da biste dobili dobre rezultate, ovi parametri se moraju držati unutar određenog raspona. Ako je snaga preniska, efikasnost dvofotonskog procesa možda neće biti dovoljna za proizvodnju mikroskopskih slika sa dobrim kontrastom. Ako su parametri previsoki, mikroskopska slika može pokazati uzorke izgorjelog tkiva.
Općenito, aplikacije za višefotonsko snimanje zahtijevaju lasere da emituju desetine do stotine nanodžula energije između frekvencija impulsa od 1 do 100 MHz kako bi se podržalo brzo skeniranje slike i izbjeglo oštećenje bioloških uzoraka.
U principu, što je impuls kraći, to su veći nelinearni efekti, ali održavanje kratke širine impulsa dok se širi kroz optički sistem je važan faktor; parametri kao što su disperzija i efekti kompenzacije postaju važni.
Kako uravnotežiti ideal sa realnošću?
Od spektroskopije do fotoničkog računarstva, ultrabrzi laseri još uvijek nalaze nova područja primjene.
Kupci u ovim oblastima zahtevaju fleksibilnost i mogućnost podešavanja od svojih lasera, ali životni vek ultrabrzih izvora još uvek nije usklađen sa veličinom tržišta. prema Florianu Emauryju, izvršnom direktoru Menhir Photonics-a, kompromisi za isporuku proizvoda na ova tržišta u razvoju predstavljaju izazov koji vrijedi ispuniti.
Dizajn ultrabrzih laserskih sistema za ova tržišta mora uravnotežiti potrebe kupaca sa razumnim isporukama u smislu pouzdanosti i proizvodnosti. Izgradnja robusnog sistema „ključ u ruke“ zahteva iterativne korake – počevši od određivanja minimalnih specifikacija potrebnih za željenu aplikaciju.
Emaury kaže da su zahtjevi kupaca uvijek razumni za ono što im treba, ali kupci rijetko razmišljaju o tome šta žele u smislu pouzdanosti i ponovljivosti za sistem koji im je potreban. Uzimanje u obzir troškova posedovanja lasera tokom mnogo godina je ključno.
Budući napredak?
Ultrabrzi laseri postaju sve kompaktniji, pored toga što su lakši za upotrebu i konkurentniju cijenu. Sistemi zasnovani na vlaknima omogućavaju fleksibilniju isporuku zraka, što omogućava laku integraciju u uske proizvodne linije, sisteme mikroskopa ili medicinska okruženja.
Manji otisci takođe omogućavaju da se ultrabrzi laseri instaliraju u manje uređaje, kao što su fotonske računarske arhitekture, gde preciznost ultrakratkih impulsa omogućava fotonskim mikroprocesorima da izvode proračune brže sa manje energije.
Emaury kaže: "Mi ovo vidimo kao tržište sa veoma velikom potražnjom i planiramo da proizvodimo stotine hiljada, ako ne i milione lasera godišnje." Naravno, za sada će ovi laseri biti manji od veličine mobilnog telefona, ali će biti osnovna komponenta svakog vrhunskog računara."
Laseri specijalizovani za fotonsko računarstvo će morati da obezbede stope ponavljanja na nivou gigaherca i precizno merenje vremena svakog impulsa unutar prozora od 10fs.
Iako ovo i druga tržišta mogu zahtijevati složene parametre koji još nisu mogući sa današnjim laserima, njihov nedavni napredak podstiče novi razvoj.
Kako se ultrabrzi laseri razvijaju, robusnije i svestranije performanse u smislu brzine ponavljanja, talasne dužine i trajanja impulsa neizbežno će dovesti do velikog prekida u širenju njihovih primena. Ali čini se da postoji neka vrsta uzajamnog davanja i uzimanja između načina na koji tehnologija pokreće tržište.
„Razvoj vlaknastih lasera u posljednjih nekoliko godina pokazao je da nove talasne dužine lasera i novi nivoi snage, koji se mogu postići novim konceptima kao što je pojačanje čirpiranog impulsa, predstavljaju važan tehnološki poticaj za fiber lasere da uđu na trenutna ključna tržišta.“ Wolfring je rekao. Prevedeno sa www.DeepL.com/Translator (besplatna verzija)
