Itin trumpi impulsiniai lazeriai, pvz., femtosekundiniai lazeriai, vis dažniau tampa lengvai naudojamais „plug-and-play“ įrenginiais, tinkančiais įvairioms pramonės ir biomedicinos reikmėms. Prieš penkiolika metų šie lazeriai buvo dideli pagrindiniai kompiuteriai, kuriems reikėjo kasdien valyti optiką. , reguliari aušinimo vandens priežiūra ir nuolatinis lazerio parametrų optimizavimas.
Šiandien kietojo kūno ir šviesolaidinės platformos, naudojančios patikrintą fotoninių kristalų pluošto stiprinimo technologiją ir čirpimo impulsų stiprinimo architektūrą, pagamino kompaktiškus, patikimus ir pigesnius femtosekundinius lazerius.
Šiuolaikiniuose ultratrumpuose šaltiniuose lazerio ertmė yra nepralaidi dujoms, o dar didesnės disko ar plokštelės stiprinimo ertmės yra uždarytos, kad būtų galima efektyviau izoliuoti nuo aplinkos. Tai reiškia, kad šiuolaikinių itin greitų lazerių nebereikia kalibruoti rankiniu būdu lauke ir juos mažiau veikia temperatūros ar drėgmės pokyčiai.
„Prieš kelis dešimtmečius, jei stipriai čiaudėdavote šalia itin greito lazerio, jis gali nesutapti arba prarasti režimo užrakinimą“, – sakė TRUMPF produktų vadovė Heather George. lazeriai, padarė pramoninius itin greitus lazerius.
Išsamius femtosekundinius lazerinius šaltinius dabar galima įsigyti įvairiomis kainomis, taip pat su lanksčia impulsų trukme, impulsų energija, vidutine galia ir spindulio parametrais.
Daugelis šių sistemų žengia toliau, integruodamos tokias funkcijas, kaip automatinis išankstinis nepageidaujamo grupės greičio dispersijos kompensavimas arba integruoti akustiniai-optiniai moduliatoriai, leidžiantys valdyti vidutinę galią, impulso energiją ir pasikartojimo dažnį.
„Neskaitant nedidelio ir lėto veikimo pablogėjimo, susijusio su natūraliu komponentų senėjimu, visam lazeriui nereikia periodiškai koreguoti ar iš naujo optimizuoti naudotojo, be to, jis turėtų būti nuotoliniu būdu diagnozuojamas ir pasiūlyti nuotolinės paslaugos intervenciją, siekiant maksimaliai padidinti veikimo laiką. sakė Marco Arrigoni, „Coherent Corp.“ rinkodaros direktorius.
Nors vartotojui patogios itin greitos sistemos tampa vis labiau prieinamos, geresnis šių lazerių parametrų supratimas gali padėti pagerinti jų pralaidumą, kokybę ir taikymo efektyvumą. Skaiduliniai itin greiti lazeriai gali veikti ilgus metus nereikalaujant daug priežiūros ir yra palyginti įperkami. Įprasti femtosekundiniai šviesolaidiniai lazeriai, kurių išėjimo galia mažesnė nei 10 W, pasikartojimo dažnis nuo 80 iki 100 MHz ir impulsų energija nuo 10 iki 20 nJ, kainuoja apie 50 USD, 000, maždaug perpus pigiau nei ankstesni produktai.
Tačiau kaina didėja, nes didėja vidutinė galios / impulso energija. Dabartinių itin greitų lazerių vidutinė galia yra nuo 10 iki 200 W, impulsų plotis mažesnis nei 300 fs, impulsų energija nuo 0,1 iki 2 mJ, o pliūpsnio energija – 8 mJ. Šių lazerių kainos yra nuo 80 USD, 000 iki 100 USD,{10}}.
Bernhardas Wolfringas, TOPTICA Photonics AG itin greitų lazerių produkto vadovas, teigia, kad projektuojant turi būti atsižvelgta į išlaidas ir fizines reikalingo lazerinio įrankio savybes. „Reikalinga minimali galia neleidžia sumažinti sąnaudų žemiau tam tikro lygio“, – sako jis. "Kita vertus, maksimalus galios poreikis padeda išvengti sistemos per didelių sąnaudų ir funkcionalumo. Rezultatas dažniausiai yra optimalus balansas tarp dizaino ir kainos bei dizaino ir parametrų specializuotoms lazerinėms sistemoms."
Pirmas pritaikymas: medžiagų apdorojimas
Femtosekundiniai lazeriai ir toliau naudojami įvairiose medžiagų apdirbimo srityse, pavyzdžiui, pjaustant plokščių ekranų folijas, apdorojant medicininius pastolius ir rašant plokšteles.
Femtosekundiniai impulsai užtikrina geresnę mikroapdirbimo kokybę, palyginti su pikosekundžių arba nanosekundžių impulsais, iš dalies todėl, kad femtosekundiniai impulsai sumažina šiluminių defektų, tokių kaip šilumos paveiktos zonos (HAZ) arba šiukšlės aplink apdorojimo sritį, poveikį. Verta paminėti, kad šie pranašumai turi savo pagrindą: daugumai medžiagų trumpesni nei 350 fs impulsai nepagerina apdirbimo efektyvumo ir gali prireikti brangesnės optikos. Be to, pats impulso plotis yra tik dalis problemos.
Hui Imamas, „NKT Photonics“ itin greitų lazerių strateginės rinkodaros direktorius, sako: „Manome, kad impulso plotis gali būti šiek tiek klaidinantis. Svarbus parametras yra didžiausia galia, kuri yra energijos kiekis, tiekiamas per trumpą femtosekundę. Kuo aukštesnė smailė. galia tam tikram trumpam femtosekundės impulsui, tuo daugiau medžiagos pašalinama su mažesniu šiluminiu poveikiu.
Sumažintas terminis apdorojimas yra labai svarbus temperatūrai arba mechaniškai jautrioms medžiagoms, tokioms kaip nitinolis, polimerai, vaistais suleidžiamos medžiagos arba ploni dielektrikai.
Itin greitų skaidulinių lazerių impulsų energiją ir vidutinę galią riboja pluošto pažeidimo slenkstis. Stiprinimo struktūros, tokios kaip plokšteliniai ir diskiniai stiprintuvai, gali sukurti didesnę impulsų energiją ir vidutinę galią. Tačiau jie taip pat turi didesnį plotą, didesnę kainą ir griežtesnius aušinimo reikalavimus.
Vidutinė galia ir pasikartojimo dažnis nustato didžiausią impulso energiją, kurią galima pasiekti vienu lazerio impulsu. Daugumoje medžiagų apdorojimo programų optimali impulsų energija priklauso nuo vadinamosios abliacijos slenksčio.
Slenkstis skiriasi priklausomai nuo medžiagos, tačiau kai impulso energija viršija medžiagos abliacijos slenkstį, procesas tampa prisotintas. Iš esmės abliacijos proceso metu sukurta plazma sugeria vėlesnius impulsus, o tai padidina šilumą ir sumažina apdorojimo efektyvumą.
"Daugumos medžiagų abliacijos atveju tipinė impulsų energija, kai naudojami femtosekundiniai impulsai, yra nuo {{0}},02 iki 0,2 mJ." Džordžas pasakė.
Itin didelis femtosekundžių lazerio impulsų galios tankis taip pat sukelia dviejų ar kelių fotonų absorbciją medžiagoje, todėl susidaro trimatės struktūros, kurių skiriamoji geba viršija optinės difrakcijos ribas. Skirtingai nuo tradicinių mikro/nano gamybos metodų, femtosekundinis lazerinis apdorojimas siūlo ir nanoskalės dydžio, ir trimačių architektūrinių galimybių.
Šviesos energijos kiekis, perduodamas ploto vienetui (vadinamas lazerio srautu), lemia abliacijos greičio efektyvumą (mm3/min/W). Daugeliui medžiagų optimali didžiausia takumo vertė, derinanti aukščiausią apdorojimo kokybę ir efektyviausią šviesos energijos naudojimą, yra maždaug 1 J/cm2.
Jimas Bovatsekas, MKS Spectra-Physics vyresnysis programų inžinerijos vadovas, sako: „Dėl srauto, esančio žemiau piko, efektyvumas smarkiai sumažėja, o dėl didesnių srautų efektyvumas palaipsniui mažėja. Tai leidžia pasiekti didesnį pralaidumą dirbant didesniu pasikartojimo dažniu, o tai lemia didesnę vidutinę galią.
Tačiau tam tikru momentu arba pagalbinė judesio / nuskaitymo įranga nejuda pakankamai greitai, arba medžiagos gebėjimas išsklaidyti likutinę šilumos energiją yra nepakankamas, arba abu, todėl susidaro mažiau nei ideali šilumos paveikta zona.
Pjovimo medžiagoms, tokioms kaip nitinolis, lazerio pasikartojimo dažnis ir atitinkamai 100 kHz ir ~80 µJ impulsų energija yra viršutinė riba prieš pradedant formuotis šilumos paveiktai zonai (HAZ), o impulso dažnis yra didesnis nei 2 MHz, kurių galia didesnė nei 100 W, gali būti naudojamas pjaustyti polimerines plėveles, tokias kaip polietileno tereftalatas ir poliimidas, sakė Bovatsek.
2 taikymas: medicininių dalių žymėjimas
Femtosekundiniai lazeriai gali būti idealus techninis sprendimas daugkartinio naudojimo medicinos prietaisams žymėti, jei gamybos apimtis kompensuoja lazerio kainą.
Vis labiau populiarėja medicinos prietaisų žymėjimo nuolatiniais 2D brūkšniniais kodais juodomis arba tamsiomis spalvomis programa, kurią naudojant galima registruoti šiuos įrankius ir sekti, kada jie valomi.
Paprastai norint pažymėti šiuos elementus, reikia naudoti pigesnius nanosekundžių impulsinius lazerius. Šie žymekliai yra chemiškai apdoroti, kad būtų atsparūs korozijai. Tačiau femtosekundiniai lazeriai sukuria neištrinamą žymę, kuri laikui bėgant nerūdija ir nesioksiduoja, todėl papildomų cheminio apdorojimo veiksmų gali ir neprireikti.
Metalus apdorojant pikosekundiniais arba femtosekundiniais lazeriais susidaro nedidelės periodinės nanoskalės struktūros, kurios rodomos kaip didelio kontrasto juodos žymės“, – sako George'as iš Tonson. Šie juodi ženklai nepriklauso nuo žiūrėjimo kampo ir rodo juodą kontrastą bet kokiu žiūrėjimo kampu.
Tęsiami tyrimai, ar femtosekundiniai impulsai gali pasiekti geresnę žymenų kokybę nei pikosekundiniai impulsai. Tačiau didesnis pasikartojimo dažnis leidžia greičiau nuskaityti ir sutrumpinti ciklo laiką. Todėl medicininio ženklinimo programose turi būti atsižvelgiama į greičio ir kokybės kompromisą.
Juoda žyma, maža impulsų energija (<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."
3 pritaikymas: suvirinimas ir pjovimas
Trapių medžiagų, tokių kaip stiklas, apdorojimas yra dar viena besiformuojanti femtosekundinių lazerių pramoninė rinka.
Pasak Antonio Castelo, Europos fotonikos pramonės konsorciumo (EPIC) fotonikos technologijų vadovo, stiklo apdorojimui reikalingas tikslus bangos ilgio ir impulsų energijos derinys. Jei nenaudojami tinkami parametrai, proceso pabaigoje dažnai pridedami papildomi poliravimo etapai.
Castelo sako: „Kai kuriems procesams, naudojamiems stiklui ir polimerinėms medžiagoms, gali prireikti skirtingo bangos ilgio artimoje ir vidutinėje infraraudonųjų spindulių šviesoje, o dabar yra daugybė sprendimų, skirtų 2- ir 3-mikronams“.
Norint pjaustyti ir suvirinti stiklą arba skaidrų trapų plastiką, reikalinga speciali optika, kad būtų pasiektas tam tikras impulsų profilis, žinomas kaip Besselio pluoštas. Šis spindulys sukuria linijinių židinių seriją apdorojamoje medžiagoje, panašiai kaip plonas lazerinis peilis, galintis pakeisti medžiagą vienu praėjimu.
Didžiausią storį, kurį galima apdoroti, riboja impulso energija. Kuo storesnė medžiaga, tuo reikia didesnės impulso energijos.
Stiklo suvirinimo impulso energija svyruoja nuo {{0}}.01 mJ iki 0,04 mJ, priklausomai nuo medžiagos tipo, o pjaustant stiklą - nuo 0,1 mJ iki 2 mJ gali būti naudojamas, priklausomai nuo apdorojamo mėginio storio", – teigia ThruPoint Huerta-Murillo. Iki 12 mm storio stiklo plokščių pjovimas lazeriu jau buvo realizuotas Thomson Application Laboratory."
Impulso trukmė yra dar vienas svarbus stiklo apdirbimo veiksnys. Pavyzdžiui, skaidrų stiklą galima pjauti pikosekundžių impulsais. Tačiau suvirinant skaidrų stiklą femtosekundiniai impulsai yra naudingesni, nes jie pasiekia didesnę didžiausią galią, dėl kurios stiklas išsilydo konkrečioje lokalizuotoje vietoje.
4 taikymas: Daugiafotoninė mikroskopija
Femtosekundiniai impulsai ypač gerai tinka daugiafotoninėms programoms, kurios yra vertingos biologiniam ir moksliniam vaizdavimui, pavyzdžiui, netiesinei mikroskopijai, dviejų fotonų optogenetikai ir trijų fotonų vaizdavimui, sukelti.
Pagrindiniai galutiniai vartotojai šiose rinkose yra biologai ir neurologai, turintys ribotą optinį išsilavinimą. Šiems galutiniams vartotojams ypač patrauklu pridėti funkcionalumą, kad būtų supaprastinti lazeriniai įrankiai.
Visada grįžtama prie pridėtinės vertės vartotojui, dažniausiai naudojimo paprastumu ir patogumu“, – sako Arrigoni iš „Coherent“. Pagrindinėse vaizdo gavimo laboratorijose dirbantys naudotojai, kurie dažnai keičiasi ir neturi patirties, gali pasinaudoti visu „iki raktų“ rinkiniu. našumą ir lengvai priimti du kartus didesnę nei „iki rakto“ lazerinės sistemos kainą.
Maždaug 80 procentų itin greitų lazerių mokslinių pritaikymų yra įgyvendinami naudojant „iki galo“ lazerius, kurių vidutinė galia yra 10 W, impulsų dažniai nuo 1 kHz iki 10 MHz, impulsų plotis reguliuojamas nuo 20 fs iki 200 fs ir derinami bangos ilgiai tarp 200 nm ir 1, 000 nm.
Femtosekundiniams lazeriams, nukreiptiems į daugiafotoninius reiškinius gyvosios gamtos mokslų srityse, impulsų energija arba didžiausia galia paprastai yra svarbiausias veiksnys, sakė Wolfringas. Norint gauti gerų rezultatų, šie parametrai turi būti laikomi tam tikrame diapazone. Jei galia per maža, dviejų fotonų proceso efektyvumo gali nepakakti mikroskopiniams gero kontrasto vaizdams gauti. Jei parametrai yra per aukšti, mikroskopo vaizde gali matytis sudegusių audinių mėginiai.
Apskritai, daugiafotoninio vaizdo gavimo programoms reikia, kad lazeriai išvestų nuo 1 iki 100 MHz impulsų dažnių nuo dešimčių iki šimtų nanodžaulių energijos, kad būtų palaikomas greitas vaizdo nuskaitymas ir išvengta biologinių mėginių pažeidimo.
Iš esmės kuo trumpesnis impulsas, tuo didesnis netiesinis poveikis, tačiau trumpo impulso pločio palaikymas sklindant per optinę sistemą yra svarbus veiksnys; tokie parametrai kaip sklaidos ir kompensavimo efektai tampa svarbūs.
Kaip subalansuoti idealą su realybe?
Nuo spektroskopijos iki fotonikos skaičiavimo – itin greiti lazeriai vis dar randa naujų pritaikymo sričių.
Klientai šiose srityse reikalauja lankstumo ir suderinamumo iš savo lazerių, tačiau itin greitų šaltinių eksploatavimo laikas dar neatitinka rinkos dydžio. Pasak Floriano Emaury, Menhir Photonics generalinio direktoriaus, kompromisai dėl produktų pristatymo į šias besivystančias rinkas yra iššūkis, kurį verta įveikti.
Projektuojant itin greitas lazerines sistemas šioms rinkoms, klientų poreikiai turi būti suderinti su pagrįstais rezultatais patikimumo ir gamybos požiūriu. Norint sukurti tvirtą „iki rakto“ sistemą, reikia kartotinių veiksmų – pradedant nuo minimalių specifikacijų, reikalingų norimai programai, nustatymo.
Emaury teigia, kad klientų reikalavimai visada yra pagrįsti tam, ko jiems reikia, tačiau klientai retai svarsto, ko nori, kalbant apie jiems reikalingos sistemos patikimumą ir pakartojamumą. Svarbu atsižvelgti į daugelio metų lazerio nuosavybės išlaidas.
Būsimas progresas?
Itin greiti lazeriai tampa vis kompaktiškesni, be to, juos lengviau naudoti ir jų kaina yra konkurencingesnė. Skaidulinės sistemos leidžia lanksčiau tiekti pluoštą, o tai leidžia lengvai integruoti į siauras gamybos linijas, mikroskopų sistemas ar medicininę aplinką.
Mažesnio ploto atspaudai taip pat leidžia itin sparčius lazerius montuoti mažesniuose įrenginiuose, pavyzdžiui, fotoninės skaičiavimo architektūrose, kur dėl itin trumpų impulsų tikslumo fotoniniai mikroprocesoriai gali greičiau atlikti skaičiavimus su mažiau energijos.
Emaury sako: "Mes matome tai kaip rinką, kurioje yra labai didelė paklausa, ir planuojame pagaminti šimtus tūkstančių, jei ne milijonus, lazerių per metus." Žinoma, kol kas šie lazeriai bus mažesni už mobiliojo telefono dydį, tačiau jie bus pagrindinis bet kurio aukščiausios klasės kompiuterio komponentas.
Lazeriai, skirti fotoniniam skaičiavimui, turės užtikrinti gigahercų lygio pasikartojimo dažnį ir tiksliai nustatyti kiekvieno impulso laiką 10 fs lange.
Nors šiai ir kitoms rinkoms gali prireikti sudėtingų parametrų, kurių šiandieniniai lazeriai dar neįmanomi, pastaroji jų pažanga skatina naujus pokyčius.
Tobulėjant itin spartiesiems lazeriams, dėl jų pasikartojimo dažnio, bangos ilgio ir impulso trukmės našumo bus stipresnis ir universalesnis, todėl jų taikymo sritis neišvengiamai nutrūks. Tačiau atrodo, kad yra tam tikras abipusis davimas ir priėmimas tarp to, kaip technologija skatina rinką.
„Pastarųjų metų šviesolaidinių lazerių plėtra parodė, kad nauji lazerio bangos ilgiai ir nauji galios lygiai, kuriuos galima pasiekti taikant naujas koncepcijas, tokias kaip čirpiojo impulso stiprinimas, yra svarbus technologinis postūmis šviesolaidiniams lazeriams patekti į dabartines pagrindines rinkas. Wolfringas pasakė. Išversta naudojant www.DeepL.com/Translator (nemokama versija)
