Ultrakort gepulste lasers, zoals femtosecondelasers, worden steeds meer gebruiksvriendelijke plug-and-play-apparaten die geschikt zijn voor een breed scala aan industriële en biomedische toepassingen. Vijftien jaar geleden waren deze lasers grote mainframes die dagelijks moesten worden schoongemaakt. , regelmatig onderhoud van het koelwater en constante optimalisatie van de laserparameters.
Tegenwoordig hebben solid-state en glasvezelplatforms die gebruik maken van bewezen fotonische kristalvezelversterkingstechnologie en chirped-pulse-versterkingsarchitecturen compacte, betrouwbare en goedkopere femtosecondelasers geproduceerd.
In de ultrakorte bronnen van vandaag is de laserholte gasdicht en zijn zelfs grotere schijf- of plaatversterkingsholtes ingesloten voor een effectievere isolatie van de omgeving. Dit betekent dat moderne ultrasnelle lasers niet langer handmatig in het veld hoeven te worden gekalibreerd en minder last hebben van veranderingen in temperatuur of vochtigheid.
"Tientallen jaren geleden, als je hard niest naast een ultrasnelle laser, kan deze verkeerd worden uitgelijnd of de modusvergrendeling verliezen", zegt Heather George, productmanager van TRUMPF, "De komst van passief modusvergrendelde zaadlasers in plaats van actieve modusvergrendelde zaadlasers lasers, heeft industriële ultrasnelle lasers mogelijk gemaakt."
Complete femtoseconde laserbronnen zijn nu verkrijgbaar tegen verschillende prijsklassen, evenals flexibele pulsduur, pulsenergie, gemiddeld vermogen en bundelparameters.
Veel van deze systemen gaan verder door functies te integreren zoals automatische pre-compensatie voor ongewenste verspreiding van de groepssnelheid of geïntegreerde akoestisch-optische modulatoren, die controle mogelijk maken over gemiddeld vermogen, energie per puls en herhalingsfrequentie.
"Afgezien van een kleine en langzame verslechtering van de prestaties als gevolg van natuurlijke veroudering van componenten, vereist de complete laser geen periodieke aanpassingen of heroptimalisatie door de gebruiker, en moet deze op afstand diagnostisch zijn en service op afstand bieden om de uptime te maximaliseren." zei Marco Arrigoni, directeur marketing bij Coherent Corp.
Hoewel er steeds meer gebruiksvriendelijke ultrasnelle systemen beschikbaar komen, kan een beter begrip van de parameters van deze lasers helpen bij het verbeteren van hun doorvoer, kwaliteit en toepassingsefficiëntie. Op glasvezel gebaseerde ultrasnelle lasers kunnen jarenlang werken met weinig onderhoud en zijn relatief betaalbaar. Typische femtoseconde fiberlasers met uitgangsvermogens van minder dan 10 W, herhalingsfrequenties tussen 80 en 100 MHz en pulsenergieën tussen 10 en 20 nJ kosten ongeveer $ 50,000, ongeveer de helft van de prijs van eerdere producten.
De kosten nemen echter toe naarmate het gemiddelde vermogen/pulsenergie toeneemt. De huidige ultrasnelle lasers hebben een gemiddeld vermogen tussen 10 en 200 W, pulsbreedtes van minder dan 300 fs, pulsenergieën tussen 0,1 en 2 mJ en burst-energieën van 8 mJ. Deze lasers zijn geprijsd in het bereik van $ 80,000 tot $ 100,000.
Bernhard Wolfring, productmanager voor ultrasnelle lasers bij TOPTICA Photonics AG, zegt dat de ontwerpoplossing rekening moet houden met de kosten versus de fysieke kenmerken van het vereiste lasergereedschap. "Het minimaal benodigde vermogen laat niet toe om de kosten onder een bepaald niveau te brengen", zegt hij. "Aan de andere kant helpt het maximale vereiste vermogen te voorkomen dat het systeem te groot wordt qua kosten en functionaliteit. Het resultaat is meestal een optimale balans tussen ontwerp en kosten, en ontwerp en parameters, voor gespecialiseerde lasersystemen."
Toepassing één: materiaalverwerking
Femtosecondelasers worden nog steeds gebruikt in een breed scala aan materiaalverwerkingstoepassingen, zoals het snijden van folies voor platte beeldschermen, microbewerking van medische scaffolds en het schrijven van wafers.
Femtoseconde-pulsen resulteren in een betere kwaliteit in microbewerkingstoepassingen in vergelijking met pico- of nanoseconde-pulsen, deels omdat femtoseconde-pulsen de impact van thermische defecten minimaliseren, zoals door hitte beïnvloede zones (HAZ) of puin rond het verwerkingsgebied. Het is vermeldenswaard dat deze voordelen een basis hebben: voor de meeste materialen verbeteren pulsen korter dan 350 fs de bewerkingsefficiëntie niet en kunnen duurdere optica nodig zijn. Bovendien is de pulsbreedte zelf slechts een deel van het probleem.
Hui Imam, directeur strategische marketing voor ultrasnelle lasers bij NKT Photonics, zegt: "We denken dat de pulsbreedte een beetje misleidend kan zijn. De belangrijke parameter is het piekvermogen, de hoeveelheid energie die wordt geleverd in een korte femtoseconde. Hoe hoger de piek kracht voor een gegeven korte femtoseconde puls, hoe meer materiaal wordt weggenomen met minder thermische impact."
Verminderde warmtebehandeling is van cruciaal belang voor temperatuur- of mechanisch gevoelige materialen zoals nitinol, polymeren, met medicijnen geïnjecteerde materialen of dunne diëlektrica.
De pulsenergie en het gemiddelde vermogen van ultrasnelle fiberlasers worden beperkt door de drempel voor vezelbeschadiging. Versterkingsstructuren zoals plaat- en schijfversterkers kunnen hogere pulsenergieën en gemiddelde vermogens produceren. Maar ze hebben ook een grotere voetafdruk, hogere kosten en strengere koelingseisen.
Het gemiddelde vermogen en de herhalingsfrequentie bepalen de maximale pulsenergie die met een enkele laserpuls kan worden bereikt. Voor de meeste materiaalverwerkingstoepassingen hangt de optimale pulsenergie af van de zogenaamde ablatiedrempel.
De drempel varieert van materiaal tot materiaal, maar zodra de pulsenergie de ablatiedrempel van het materiaal overschrijdt, raakt het proces verzadigd. In wezen absorbeert het plasma dat tijdens het ablatieproces wordt gecreëerd daaropvolgende pulsen, waardoor de warmte toeneemt en de verwerkingsefficiëntie afneemt.
"Voor ablatie van de meeste materialen ligt de typische pulsenergie bij het gebruik van femtosecondepulsen tussen {{0}}.02 en 0.2 mJ." zei George.
De extreem hoge vermogensdichtheid van femtoseconde laserpulsen induceert ook twee- of multi-fotonenabsorptie in het materiaal, wat resulteert in driedimensionale structuren met een fijne resolutie voorbij de grenzen van optische diffractie. In tegenstelling tot traditionele micro-/nano-fabricagetechnieken, biedt femtoseconde laserverwerking zowel functiegrootte op nanoschaal als driedimensionale architectonische mogelijkheden.
De hoeveelheid doorgelaten lichtenergie per oppervlakte-eenheid (laserfluentie genoemd) bepaalt de efficiëntie van de ablatiesnelheid (mm3/min/W). Voor de meeste materialen is de optimale piekfluentiewaarde die de hoogste verwerkingskwaliteit combineert met het meest efficiënte gebruik van lichtenergie ongeveer 1 J/cm2.
Jim Bovatsek, Senior Applications Engineering Manager bij MKS Spectra-Physics, zegt: "Fluxes onder de piek resulteren in een scherpe daling van de efficiëntie, terwijl hogere fluxen resulteren in een geleidelijke afname van de efficiëntie." Dit zorgt voor een hogere doorvoer door met hogere herhalingsfrequenties te werken, wat resulteert in een hoger gemiddeld vermogen.
Op een gegeven moment beweegt de hulpbewegings-/scanapparatuur echter niet snel genoeg, of is het vermogen van het materiaal om restwarmte-energie af te voeren onvoldoende, of beide, en het resultaat is een niet-ideale warmte-beïnvloede zone.
Voor snijmaterialen zoals nitinol lijken een laserherhalingsfrequentie en pulsenergie van respectievelijk 100 kHz en ~80 µJ een bovengrens te zijn voordat zich een door warmte beïnvloede zone (HAZ) begint te vormen, terwijl een pulsfrequentie van meer dan 2 MHz met een vermogen van meer dan 100 W kan worden gebruikt om polymeerfilms zoals polyethyleentereftalaat en polyimide te snijden, zei Bovatsek.
Toepassing 2: Markeren van medische onderdelen
Femtosecondelasers kunnen de ideale technische oplossing zijn voor het markeren van herbruikbare medische hulpmiddelen als het productievolume de prijs van de laser compenseert.
Er is een groeiende toepassing voor het markeren van medische hulpmiddelen met permanente 2D-barcodes in zwarte of donkere kleuren, die kunnen worden gebruikt om deze hulpmiddelen te registreren en bij te houden wanneer ze worden schoongemaakt.
Meestal vereist het markeren van deze items het gebruik van goedkopere gepulseerde lasers van nanoseconden. Deze markers zijn chemisch behandeld om corrosiebestendig te zijn. Femtosecondelasers produceren echter een onuitwisbare markering die na verloop van tijd niet corrodeert en oxideert, dus aanvullende chemische behandelingsstappen zijn mogelijk niet nodig.
Het bewerken van metalen met picoseconde of femtoseconde lasers produceert kleine periodieke structuren op nanoschaal die verschijnen als contrastrijke zwarte markeringen, "zegt George van Tonson. Deze zwarte markeringen zijn onafhankelijk van de kijkhoek en tonen zwart contrast onder elke kijkhoek."
Er wordt verder onderzoek gedaan naar de vraag of femtosecondepulsen een betere markerkwaliteit kunnen bereiken dan picosecondepulsen. Hogere herhalingsfrequenties zorgen echter voor sneller scannen en dus kortere cyclustijden. Daarom moeten medische markeringstoepassingen rekening houden met de afweging tussen snelheid en kwaliteit.
Bij zwarte markering, lage pulsenergieën (<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."
Toepassing 3: Lassen en snijden
Het verwerken van brosse materialen zoals glas is een andere opkomende industriële markt voor femtosecondelasers.
Volgens Antonio Castelo, manager fotonicatechnologie bij het European Photonics Industry Consortium (EPIC), vereist glasverwerking een nauwkeurige combinatie van golflengte en pulsenergie. Het niet gebruiken van de juiste parameters resulteert vaak in het toevoegen van extra polijststappen aan het einde van het proces.
Castelo zegt: "Sommige processen die worden gebruikt voor glas- en polymeermaterialen vereisen mogelijk verschillende golflengten in het nabij- en midden-infrarood, en er is nu een volledige reeks oplossingen beschikbaar in 2- en 3-micron."
Het snijden en lassen van glas of heldere brosse kunststoffen vereist een speciale optiek om een bepaald pulsprofiel te bereiken dat bekend staat als een Bessel-straal. Deze straal creëert een reeks lineaire brandpunten op het materiaal dat wordt verwerkt, vergelijkbaar met een dun lasermes dat het materiaal in één keer kan wijzigen.
De maximale dikte die kan worden verwerkt, wordt beperkt door de pulsenergie. Hoe dikker het materiaal, hoe hoger de benodigde pulsenergie.
Voor glaslassen varieert de pulsenergie van {{0}}.01 mJ tot 0,04 mJ, afhankelijk van het type materiaal, en voor glassnijden een pulsenergie van 0,1 mJ tot 2 mJ kan worden gebruikt, afhankelijk van de dikte van het te verwerken monster", zegt Huerta-Murillo van ThruPoint. Lasersnijden van glasplaten tot 12 mm dik is al gerealiseerd in het Thomson Application Laboratory."
De pulsduur is een andere belangrijke factor bij de glasverwerking. Het snijden van helder glas kan bijvoorbeeld met picoseconde pulsen. Maar voor het lassen van helder glas zijn femtosecondepulsen nuttiger omdat ze een hoger piekvermogen bereiken, waardoor het glas smelt in een specifiek gelokaliseerd gebied.
Toepassing 4: Multifotonenmicroscopie
Femtoseconde-pulsen zijn bijzonder geschikt voor het induceren van multifoton-toepassingen die waardevol zijn voor biologische en wetenschappelijke beeldvormingstoepassingen zoals niet-lineaire microscopie, optogenetica met twee fotonen en beeldvorming met drie fotonen.
De primaire eindgebruikers in deze markten zijn biologen en neurowetenschappers met een beperkte optische achtergrond. Vooral voor deze eindgebruikers is het toevoegen van functionaliteit om lasertools te vereenvoudigen aantrekkelijk.
Het komt altijd neer op de toegevoegde waarde voor de gebruiker, meestal in termen van gebruiksgemak en bruikbaarheid", zegt Arrigoni van Coherent. Gebruikers in core imaging labs, die vaak roteren en onervaren zijn, kunnen baat hebben bij een volledige suite prestaties en accepteren gemakkelijk twee keer de prijs van een kant-en-klaar lasersysteem."
Ongeveer 80 procent van de wetenschappelijke toepassingen van ultrasnelle lasers wordt gerealiseerd met kant-en-klare lasers, die een gemiddeld vermogen hebben van 10 W, pulsfrequenties tussen 1 kHz en 10 MHz, pulsbreedtes die instelbaar zijn tussen 20 fs en 200 fs, en afstembare golflengten tussen 200 nm en 1,000 nm.
Voor femtosecondelasers die gericht zijn op multifotonverschijnselen in life sciences-toepassingen, is de pulsenergie of het piekvermogen meestal de belangrijkste factor, zei Wolfring. Om goede resultaten te krijgen, moeten deze parameters binnen een bepaald bereik worden gehouden. Als het vermogen te laag is, is de efficiëntie van het proces van twee fotonen mogelijk niet voldoende om microscopische beelden met een goed contrast te produceren. Als de parameters te hoog zijn, kan het microscoopbeeld verbrande weefselmonsters laten zien.
Over het algemeen vereisen multifoton-beeldvormingstoepassingen dat lasers tientallen tot honderden nanojoule energie tussen 1 en 100 MHz pulsfrequenties produceren om snelle beeldscanning te ondersteunen en schade aan biologische monsters te voorkomen.
In principe geldt: hoe korter de puls, hoe hoger de niet-lineaire effecten, maar het handhaven van een korte pulsbreedte tijdens de voortplanting door het optische systeem is een belangrijke factor; parameters zoals spreidings- en compensatie-effecten worden belangrijk.
Hoe het ideaal in evenwicht te brengen met de realiteit?
Van spectroscopie tot fotonica computing, ultrasnelle lasers vinden nog steeds nieuwe toepassingsgebieden.
Klanten in deze gebieden eisen flexibiliteit en afstembaarheid van hun lasers, maar de levensduur van ultrasnelle bronnen komt nog niet overeen met de omvang van de markt. volgens Florian Emaury, CEO van Menhir Photonics, zijn de afwegingen voor het leveren van producten aan deze opkomende markten een uitdaging die de moeite waard is.
Het ontwerp van ultrasnelle lasersystemen voor deze markten moet de behoeften van de klant in evenwicht brengen met redelijke resultaten op het gebied van betrouwbaarheid en maakbaarheid. Het bouwen van een robuust kant-en-klaar systeem vereist iteratieve stappen - te beginnen met het bepalen van de minimale specificaties die nodig zijn voor de gewenste toepassing.
Emaury zegt dat de eisen van klanten altijd redelijk zijn voor wat ze nodig hebben, maar dat klanten zelden nadenken over wat ze willen in termen van betrouwbaarheid en herhaalbaarheid voor het systeem dat ze nodig hebben. Het is belangrijk om rekening te houden met de eigendomskosten van de laser gedurende vele jaren.
Toekomstige vorderingen?
Ultrasnelle lasers worden steeds compacter, eenvoudiger in gebruik en scherper geprijsd. Op glasvezel gebaseerde systemen zorgen voor een flexibelere straalafgifte, wat een gemakkelijke integratie in smalle productielijnen, microscoopsystemen of medische omgevingen mogelijk maakt.
Kleinere voetafdrukken maken het ook mogelijk om ultrasnelle lasers te installeren in kleinere apparaten, zoals fotonische computerarchitecturen, waar de precisie van ultrakorte pulsen fotonische microprocessors in staat stelt sneller berekeningen uit te voeren met minder energie.
Emaury zegt: "We zien dit als een markt met een zeer grote vraag en we zijn van plan honderdduizenden, zo niet miljoenen lasers per jaar te produceren." Natuurlijk zullen deze lasers voorlopig kleiner zijn dan de grootte van een mobiele telefoon, maar ze zullen het belangrijkste onderdeel zijn van elke high-end computer."
Lasers die gespecialiseerd zijn voor fotonisch computergebruik zullen herhalingsfrequenties op gigahertz-niveau moeten bieden en elke puls nauwkeurig moeten timen binnen een venster van 10 fs.
Hoewel deze en andere markten mogelijk complexe parameters vereisen die nog niet mogelijk zijn met de lasers van vandaag, voeden hun recente vorderingen nieuwe ontwikkelingen.
Naarmate ultrasnelle lasers evolueren, zullen robuustere en veelzijdigere prestaties in termen van herhalingssnelheid, golflengte en pulsduur onvermijdelijk leiden tot een grote doorbraak in de uitbreiding van hun toepassingen. Maar er lijkt een soort van wederzijds geven en nemen te zijn tussen hoe de technologie de markt aandrijft.
"De ontwikkeling van fiberlasers in de afgelopen jaren heeft aangetoond dat nieuwe lasergolflengten en nieuwe vermogensniveaus, die kunnen worden bereikt door nieuwe concepten zoals chirped pulsversterking, een belangrijke technologische impuls vormen voor fiberlasers om de huidige sleutelmarkten te betreden." zei Wolfring. Vertaald met www.DeepL.com/Translator (gratis versie)
