Ультракороткие импульсные лазеры, такие как фемтосекундные лазеры, все чаще становятся простыми в использовании устройствами plug-and-play, подходящими для широкого спектра промышленных и биомедицинских приложений. Пятнадцать лет назад эти лазеры представляли собой большие мэйнфреймы, оптические элементы которых требовали ежедневной очистки. , регулярное обслуживание охлаждающей воды и постоянная оптимизация параметров лазера.
Сегодня твердотельные и волоконно-оптические платформы, использующие проверенную технологию усиления на фотонно-кристаллическом волокне и архитектуры усиления с чирпированными импульсами, позволили создать компактные, надежные и недорогие фемтосекундные лазеры.
В современных ультракоротких источниках резонатор лазера является газонепроницаемым, а для более эффективной изоляции от окружающей среды закрыты еще более крупные дисковые или пластинчатые резонаторы усиления. Это означает, что современные сверхбыстрые лазеры больше не нуждаются в ручной калибровке в полевых условиях и меньше подвержены влиянию изменений температуры или влажности.
«Десятилетия назад, если вы сильно чихнули рядом со сверхбыстрым лазером, он мог сбиться или потерять синхронизацию мод, — говорит Хезер Джордж, менеджер по продукции TRUMPF. лазеров, сделал возможным создание промышленных сверхбыстрых лазеров».
Полные фемтосекундные лазерные источники теперь доступны в различных ценовых категориях, а также с гибкой длительностью импульса, энергией импульса, средней мощностью и параметрами луча.
Многие из этих систем идут дальше, интегрируя такие функции, как автоматическая предварительная компенсация нежелательной дисперсии групповой скорости или встроенные акустооптические модуляторы, которые позволяют контролировать среднюю мощность, энергию в импульсе и частоту повторения.
«Помимо незначительного и медленного ухудшения производительности, связанного с естественным старением компонентов, весь лазер не требует каких-либо периодических регулировок или повторной оптимизации со стороны пользователя, и он должен выполнять удаленную диагностику и предлагать удаленное обслуживание, чтобы максимально увеличить время безотказной работы». сказал Марко Арригони, директор по маркетингу Coherent Corp.
В то время как удобные для пользователя сверхбыстрые системы становятся все более доступными, лучшее понимание параметров этих лазеров может помочь повысить их производительность, качество и эффективность применения. Сверхбыстрые лазеры на волоконной основе могут работать годами при минимальном обслуживании и относительно доступны по цене. Типичные фемтосекундные волоконные лазеры с выходной мощностью менее 10 Вт, частотой повторения от 80 до 100 МГц и энергией импульса от 10 до 20 нДж стоят около 50 долларов000, что примерно вдвое меньше, чем у более ранних продуктов.
Однако стоимость увеличивается по мере увеличения средней мощности/энергии импульса. Современные сверхбыстрые лазеры имеют среднюю мощность от 10 до 200 Вт, ширину импульса менее 300 фс, энергию импульса от 0,1 до 2 мДж и энергию вспышки 8 мДж. Цены на эти лазеры варьируются от 80 000 до 100 долларов000.
Бернхард Вольфринг, менеджер по сверхбыстрым лазерам в TOPTICA Photonics AG, говорит, что проектное решение должно учитывать стоимость и физические характеристики требуемого лазерного инструмента. «Требуемая минимальная мощность не позволяет снизить затраты ниже определенного уровня», — говорит он. «С другой стороны, максимальная потребляемая мощность помогает избежать завышения размеров системы с точки зрения стоимости и функциональности. Результатом обычно является оптимальный баланс между дизайном и стоимостью, а также дизайном и параметрами для специализированных лазерных систем».
Приложение первое: обработка материалов
Фемтосекундные лазеры продолжают использоваться в широком спектре приложений обработки материалов, таких как резка фольги для плоских дисплеев, микрообработка медицинских каркасов и скрайбирование пластин.
Фемтосекундные импульсы обеспечивают лучшее качество в приложениях микрообработки по сравнению с пико- или наносекундными импульсами, отчасти потому, что фемтосекундные импульсы сводят к минимуму влияние термических дефектов, таких как зоны термического влияния (ЗТВ) или мусор вокруг области обработки. Стоит отметить, что у этих преимуществ есть обратная сторона: для большинства материалов импульсы короче 350 фс не повышают эффективность обработки и могут потребовать более дорогой оптики. Кроме того, ширина импульса сама по себе является лишь частью проблемы.
Хуи Имам, директор по стратегическому маркетингу сверхбыстрых лазеров в NKT Photonics, говорит: «Мы думаем, что ширина импульса может немного вводить в заблуждение. Важным параметром является пиковая мощность, то есть количество энергии, доставляемое за короткую фемтосекунду. мощности для данного короткого фемтосекундного импульса, тем больше материала удаляется при меньшем тепловом воздействии».
Пониженная тепловая обработка имеет решающее значение для материалов, чувствительных к температуре или механическим воздействиям, таких как нитинол, полимеры, материалы с инъекционными лекарствами или тонкие диэлектрики.
Энергия импульса и средняя мощность сверхбыстрых волоконных лазеров ограничены порогом повреждения волокна. Структуры усиления, такие как пластинчатые и дисковые усилители, могут производить импульсы с более высокой энергией и средней мощностью. Но они также имеют большую площадь основания, более высокую стоимость и более строгие требования к охлаждению.
Средняя мощность и частота повторения определяют максимальную энергию импульса, которая может быть достигнута с помощью одного лазерного импульса. Для большинства приложений обработки материалов оптимальная энергия импульса зависит от так называемого порога абляции.
Порог варьируется от материала к материалу, но как только энергия импульса превышает порог абляции материала, процесс становится насыщенным. По сути, плазма, образующаяся в процессе абляции, поглощает последующие импульсы, что увеличивает тепловыделение и снижает эффективность обработки.
«Для абляции большинства материалов типичная энергия импульса при использовании фемтосекундных импульсов составляет от {{0}},02 до 0,2 мДж». — сказал Джордж.
Чрезвычайно высокая плотность мощности фемтосекундных лазерных импульсов также вызывает двух- или многофотонное поглощение в материале, что приводит к трехмерным структурам с высоким разрешением, выходящим за пределы оптической дифракции. В отличие от традиционных методов микро/нанопроизводства, фемтосекундная лазерная обработка предлагает как наноразмерные элементы, так и возможности трехмерной архитектуры.
Количество световой энергии, передаваемой на единицу площади (называемой плотностью потока лазерного излучения), определяет эффективность скорости абляции (мм3/мин/Вт). Для большинства материалов оптимальное пиковое значение плотности энергии, сочетающее высочайшее качество обработки с наиболее эффективным использованием световой энергии, составляет примерно 1 Дж/см2.
Джим Бовацек, старший менеджер по разработке приложений в MKS Spectra-Physics, говорит: «Потоки ниже пикового значения приводят к резкому падению эффективности, в то время как более высокие потоки приводят к постепенному снижению эффективности». Это позволяет повысить пропускную способность за счет более высокой частоты повторения, что приводит к более высокой средней мощности.
Однако в какой-то момент либо вспомогательное оборудование для перемещения/сканирования движется недостаточно быстро, либо способность материала рассеивать остаточную тепловую энергию недостаточна, либо и то, и другое, и в результате получается далеко не идеальная зона термического влияния.
Для режущих материалов, таких как нитинол, частота повторения лазера и энергия импульса 100 кГц и ~ 80 мкДж соответственно являются верхним пределом, при котором начинается формирование зоны термического влияния (ЗТВ), в то время как частота импульса более По словам Бовацека, 2 МГц с мощностью более 100 Вт можно использовать для резки полимерных пленок, таких как полиэтилентерефталат и полиимид.
Применение 2: Маркировка медицинских деталей
Фемтосекундные лазеры могут стать идеальным техническим решением для маркировки многоразовых медицинских изделий, если объем производства компенсирует цену лазера.
Растет число приложений для маркировки медицинских устройств постоянными двухмерными штрих-кодами черного или темного цвета, которые можно использовать для регистрации этих инструментов и отслеживания времени их очистки.
Как правило, маркировка этих предметов требует использования более дешевых наносекундных импульсных лазеров. Эти маркеры химически обработаны для защиты от коррозии. Однако фемтосекундные лазеры оставляют неизгладимый след, который не подвергается коррозии и окислению с течением времени, поэтому дополнительные этапы химической обработки могут не потребоваться.
Обработка металлов пикосекундными или фемтосекундными лазерами создает небольшие периодические структуры в наномасштабе, которые проявляются в виде высококонтрастных черных меток», — говорит Джордж из Тонсона. Эти черные метки не зависят от угла обзора и демонстрируют черный контраст под любым углом обзора».
Продолжаются исследования того, могут ли фемтосекундные импульсы обеспечить лучшее качество маркера, чем пикосекундные импульсы. Однако более высокая частота повторения обеспечивает более быстрое сканирование и, следовательно, более короткое время цикла. Следовательно, приложения для медицинской маркировки должны учитывать компромисс между скоростью и качеством.
При черной маркировке низкая энергия импульса (<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."
Применение 3: Сварка и резка
Обработка хрупких материалов, таких как стекло, является еще одним развивающимся промышленным рынком для фемтосекундных лазеров.
По словам Антонио Каштелу, менеджера по технологиям фотоники в Европейском консорциуме фотонной промышленности (EPIC), обработка стекла требует точного сочетания длины волны и энергии импульса. Неправильное использование параметров часто приводит к тому, что в конце процесса добавляются дополнительные этапы полировки.
Каштело говорит: «Для некоторых процессов, используемых для стекла и полимерных материалов, могут потребоваться разные длины волн в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне, и теперь доступен полный спектр решений в 2- и 3-микронах».
Для резки и сварки стекла или прозрачного хрупкого пластика требуется специальная оптика для получения определенного профиля импульса, известного как луч Бесселя. Этот луч создает ряд линейных фокусов на обрабатываемом материале, подобно тонкому лазерному ножу, который может модифицировать материал за один проход.
Максимальная толщина, которая может быть обработана, ограничена энергией импульса. Чем толще материал, тем выше необходимая энергия импульса.
Для сварки стекла энергия импульса составляет от {{0}}.01 мДж до 0,04 мДж в зависимости от типа материала, а для резки стекла энергия импульса составляет от 0,1 мДж до 2 мДж может использоваться в зависимости от толщины обрабатываемого образца», — говорит Уэрта-Мурильо из ThruPoint. Лазерная резка стеклянных пластин толщиной до 12 мм уже реализована в прикладной лаборатории Thomson».
Длительность импульса является еще одним важным фактором при обработке стекла. Например, резка прозрачного стекла может выполняться с помощью пикосекундных импульсов. Но для сварки прозрачного стекла фемтосекундные импульсы более полезны, поскольку они достигают более высокой пиковой мощности, что приводит к плавлению стекла в определенной локализованной области.
Приложение 4: Многофотонная микроскопия
Фемтосекундные импульсы особенно хорошо подходят для создания многофотонных приложений, которые ценны для биологических и научных приложений визуализации, таких как нелинейная микроскопия, двухфотонная оптогенетика и трехфотонная визуализация.
Основными конечными пользователями на этих рынках являются биологи и нейробиологи с ограниченным оптическим опытом. Добавление функций для упрощения лазерных инструментов особенно привлекательно для этих конечных пользователей.
Это всегда дает дополнительную ценность для пользователя, чаще всего с точки зрения простоты использования и удобства использования», — говорит Арригони из Coherent. Пользователи в основных лабораториях визуализации, которые часто меняются и не имеют опыта, могут извлечь выгоду из полного набора готовых решений. производительность и с готовностью согласиться на двукратную цену лазерной системы «под ключ».
Около 80 процентов научных применений сверхбыстрых лазеров реализуются с помощью лазеров «под ключ», которые имеют среднюю мощность 10 Вт, частоту импульсов от 1 кГц до 10 МГц, ширину импульса, регулируемую от 20 фс до 200 фс, и перестраиваемую длину волны от 200 нм и 1,000 нм.
По словам Вольфринга, для фемтосекундных лазеров, направленных на многофотонные явления в приложениях наук о жизни, энергия импульса или пиковая мощность обычно являются наиболее важным фактором. Для получения хороших результатов эти параметры должны находиться в определенном диапазоне. Если мощность слишком мала, эффективность двухфотонного процесса может оказаться недостаточной для получения микроскопических изображений с хорошим контрастом. Если параметры слишком высоки, на изображении под микроскопом могут быть видны обожженные образцы тканей.
Как правило, приложения многофотонной визуализации требуют, чтобы лазеры выдавали от десятков до сотен наноджоулей энергии в диапазоне частот импульсов от 1 до 100 МГц, чтобы обеспечить быстрое сканирование изображений и избежать повреждения биологических образцов.
В принципе, чем короче импульс, тем выше нелинейные эффекты, но сохранение короткой ширины импульса при распространении через оптическую систему является важным фактором; становятся важными такие параметры, как эффекты дисперсии и компенсации.
Как совместить идеал с реальностью?
От спектроскопии до фотонных вычислений сверхбыстрые лазеры все еще находят новые области применения.
Клиенты в этих областях требуют от своих лазеров гибкости и настраиваемости, но срок службы сверхбыстрых источников еще не соответствует размеру рынка. По словам Флориана Эмори, генерального директора Menhir Photonics, компромиссы при поставке продукции на эти развивающиеся рынки — задача, на которую стоит пойти.
При разработке сверхбыстрых лазерных систем для этих рынков необходимо сбалансировать потребности клиентов с разумными результатами с точки зрения надежности и технологичности. Создание надежной системы «под ключ» требует повторяющихся шагов, начиная с определения минимальных спецификаций, необходимых для желаемого приложения.
Эмори говорит, что требования клиентов всегда разумны в отношении того, что им нужно, но клиенты редко принимают во внимание то, что они хотят с точки зрения надежности и воспроизводимости системы, в которой они нуждаются. Ключевым моментом является учет стоимости владения лазером в течение многих лет.
Будущий прогресс?
Сверхбыстрые лазеры становятся все более компактными, а также более простыми в использовании и более конкурентоспособными по цене. Системы на основе волокон обеспечивают более гибкую доставку луча, что позволяет легко интегрировать их в узкие производственные линии, микроскопические системы или медицинские учреждения.
Меньшая занимаемая площадь также позволяет устанавливать сверхбыстрые лазеры в небольших устройствах, таких как фотонные вычислительные архитектуры, где точность ультракоротких импульсов позволяет фотонным микропроцессорам выполнять вычисления быстрее с меньшими затратами энергии.
Эмори говорит: «Мы рассматриваем этот рынок как рынок с очень высоким спросом, и мы планируем производить сотни тысяч, если не миллионы лазеров в год». Конечно, на данный момент эти лазеры будут меньше размера мобильного телефона, но они станут основным компонентом любого высококлассного компьютера».
Лазеры, предназначенные для фотонных вычислений, должны будут обеспечивать частоту повторения на уровне гигагерц и точную синхронизацию каждого импульса в пределах окна 10 фс.
Хотя для этого и других рынков могут потребоваться сложные параметры, недоступные для современных лазеров, их недавние достижения подпитывают новые разработки.
По мере развития сверхбыстрых лазеров более надежные и универсальные характеристики с точки зрения частоты повторения, длины волны и длительности импульса неизбежно приведут к большому перерыву в расширении их приложений. Но, похоже, существует некая взаимосвязь между тем, как технология управляет рынком.
«Развитие волоконных лазеров в последние годы показало, что новые длины волн лазеров и новые уровни мощности, которые могут быть достигнуты с помощью новых концепций, таких как усиление чирпированных импульсов, обеспечивают важный технологический толчок для выхода волоконных лазеров на текущие ключевые рынки». — сказал Вольфринг. Переведено с www.DeepL.com/Translator (бесплатная версия)
