Els làsers de pols ultracurt, com els làsers de femtosegons, s'estan convertint en dispositius plug-and-play fàcils d'utilitzar i adequats per a una àmplia gamma d'aplicacions industrials i biomèdiques. Fa quinze anys, aquests làsers eren grans sistemes centrals que requerien una neteja diària de l'òptica. , manteniment regular de l'aigua de refrigeració, i optimització constant dels paràmetres del làser.
Avui en dia, les plataformes d'estat sòlid i de fibra òptica que utilitzen tecnologia d'amplificació de fibra de cristall fotònic provada i arquitectures d'amplificació de pols xirpat han produït làsers femtosegons compactes, fiables i de baix cost.
A les fonts ultracurtes d'avui, la cavitat làser és estanca als gasos, i les cavitats d'amplificació de discs o plaques encara més grans estan tancades per a un aïllament més efectiu del medi ambient. Això vol dir que els làsers ultra ràpids moderns ja no necessiten ser calibrats manualment al camp i es veuen menys afectats pels canvis de temperatura o humitat.
"Fa dècades, si esternuves amb força al costat d'un làser ultraràpid, podria desalinear-se o perdre el bloqueig del mode", va dir Heather George, directora de producte de TRUMPF, "L'arribada dels làsers de llavors bloquejats de manera passiva, en lloc de les llavors de bloqueig de modes actius. làsers, ha fet possibles làsers industrials ultra ràpids".
Les fonts làser completes de femtosegons ara estan disponibles a una varietat de preus, així com durades de pols flexibles, energies de pols, potències mitjanes i paràmetres del feix.
Molts d'aquests sistemes van més enllà integrant característiques com la precompensació automàtica per a la dispersió de velocitat de grup no desitjada o moduladors acústico-òptics integrats, que permeten controlar la potència mitjana, l'energia per pols i la freqüència de repetició.
"A part de la degradació del rendiment menor i lenta associada a l'envelliment dels components naturals, el làser complet no requereix cap ajust periòdic ni reoptimització per part de l'usuari, i hauria de ser diagnosticat de manera remota i oferir una intervenció de servei remota per maximitzar el temps de funcionament". va dir Marco Arrigoni, director de màrqueting de Coherent Corp.
Tot i que els sistemes ultraràpids fàcils d'utilitzar estan cada cop més disponibles, una millor comprensió dels paràmetres d'aquests làsers pot ajudar a millorar-ne el rendiment, la qualitat i l'eficiència de l'aplicació. Els làsers ultraràpides basats en fibra poden funcionar durant anys amb poc manteniment i són relativament assequibles. Els làsers típics de fibra femtosegon amb potències de sortida inferiors a 10 W, freqüències de repetició entre 80 i 100 MHz i energies d'impuls entre 10 i 20 nJ costen uns 50 dòlars,000, aproximadament la meitat del preu dels productes anteriors.
Tanmateix, el cost augmenta a mesura que augmenta la potència mitjana/energia del pols. Els làsers ultraràpides actuals tenen potències mitjanes entre 10 i 200 W, amplades de pols inferiors a 300 fs, energies de pols entre 0,1 i 2 mJ i energies d'explosió de 8 mJ. Aquests làsers tenen un preu d'entre 80 $,000 i 100 $,000.
Bernhard Wolfring, gerent de producte per a làsers ultraràpides de TOPTICA Photonics AG, diu que la solució de disseny ha de tenir en compte el cost versus les característiques físiques de l'eina làser requerida. “La potència mínima requerida no permet reduir costos per sota d'un determinat nivell”, afirma. "D'altra banda, la màxima potència requerida ajuda a evitar un sobredimensionament del sistema en termes de cost i funcionalitat. El resultat sol ser un equilibri òptim entre disseny i cost, i disseny i paràmetres, per a sistemes làser especialitzats".
Aplicació 1: processament de materials
Els làsers femtosegons es continuen utilitzant en una àmplia gamma d'aplicacions de processament de materials, com ara el tall de làmines per a pantalles de pantalla plana, bastides mèdiques de micromecanitzat i gravat d'hòsties.
Els polsos de femtosegons donen lloc a una millor qualitat en les aplicacions de micromecanitzat en comparació amb els polsos de picosegons o nanosegons, en part perquè els polsos de femtoseguons minimitzen l'impacte dels defectes tèrmics, com ara les zones afectades per la calor (HAZ) o els residus al voltant de l'àrea de processament. Val la pena assenyalar que aquests avantatges tenen un resultat final: per a la majoria de materials, els polsos inferiors a 350 fs no milloren l'eficiència de mecanitzat i poden requerir òptiques més cares. A més, l'amplada del pols en si és només una part del problema.
Hui Imam, director de màrqueting estratègic per a làsers ultraràpides de NKT Photonics, diu: "Pensem que l'amplada del pols pot ser una mica enganyós. El paràmetre important és la potència màxima, que és la quantitat d'energia lliurada en un femtosegon curt. Com més alt sigui el pic. potència per a un pols de femtosegon curt determinat, com més material s'elimina amb menys impacte tèrmic".
El tractament tèrmic reduït és fonamental per a materials sensibles a la temperatura o mecànicament, com ara nitinol, polímers, materials injectats amb fàrmacs o dielèctrics prims.
L'energia del pols i la potència mitjana dels làsers de fibra ultra ràpida estan limitades pel llindar de dany de la fibra. Les estructures d'amplificació com els amplificadors de plaques i discs poden produir energies de pols més altes i potències mitjanes. Però també tenen una petjada més gran, un cost més elevat i requisits de refrigeració més estrictes.
La potència mitjana i la freqüència de repetició determinen l'energia màxima del pols que es pot aconseguir amb un sol pols làser. Per a la majoria d'aplicacions de processament de materials, l'energia de pols òptima depèn de l'anomenat llindar d'ablació.
El llindar varia d'un material a un altre, però una vegada que l'energia del pols supera el llindar d'ablació del material, el procés es satura. En essència, el plasma creat durant el procés d'ablació absorbeix polsos posteriors, la qual cosa augmenta la calor i redueix l'eficiència del processament.
"Per a l'ablació de la majoria de materials, l'energia de pols típica quan s'utilitzen polsos de femtosegons està entre {{0}},02 i 0,2 mJ". va dir George.
La densitat de potència extremadament alta dels polsos làser de femtosegon també indueix una absorció de dos o diversos fotons en el material, donant lloc a estructures tridimensionals amb una resolució fina més enllà dels límits de la difracció òptica. A diferència de les tècniques tradicionals de fabricació de micro/nano, el processament làser de femtosegon ofereix tant mida de característiques a escala nanomètrica com capacitats arquitectòniques tridimensionals.
La quantitat d'energia lluminosa transmesa per unitat d'àrea (anomenada fluència làser) determina l'eficiència de la taxa d'ablació (mm3/min/W). Per a la majoria de materials, el valor màxim de fluència òptim que combina la màxima qualitat de processament amb l'ús més eficient de l'energia lluminosa és d'aproximadament 1 J/cm2.
Jim Bovatsek, director sènior d'enginyeria d'aplicacions de MKS Spectra-Physics, diu: "Els fluxos per sota del pic donen lloc a una forta caiguda de l'eficiència, mentre que els fluxos més alts provoquen una disminució gradual de l'eficiència". Això permet un rendiment més elevat executant-se a taxes de repetició més altes, el que resulta en una potència mitjana més alta.
En algun moment, però, l'equip auxiliar de moviment/escaneig no es mou prou ràpid, o la capacitat del material per dissipar l'energia de calor residual és insuficient, o ambdues coses, i el resultat és una zona afectada per la calor menys que la ideal.
Per a materials de tall com el nitinol, una freqüència de repetició làser i una energia de pols de 100 kHz i ~80 µJ, respectivament, semblen ser un límit superior abans que comenci a formar-se una zona afectada per la calor (HAZ), mentre que una freqüència de pols superior a 2 MHz amb una potència superior a 100 W es poden utilitzar per tallar pel·lícules de polímer com el tereftalat de polietilè i la poliimida, va dir Bovatsek.
Aplicació 2: Marcat de peces mèdiques
Els làsers de femtosegons poden ser la solució tècnica ideal per marcar dispositius mèdics reutilitzables si el volum de producció compensa el preu del làser.
Hi ha una aplicació creixent per marcar dispositius mèdics amb codis de barres 2D permanents en negre o colors foscos, que es poden utilitzar per registrar aquestes eines i fer un seguiment de quan es netegen.
Normalment, marcar aquests elements requereix l'ús de làsers polsats de nanosegons de menor cost. Aquests marcadors estan tractats químicament per ser resistents a la corrosió. Tanmateix, els làsers de femtosegon produeixen una marca indeleble que no es corroeix ni s'oxida amb el pas del temps, de manera que potser no calen passos addicionals de tractament químic.
El processament de metalls amb làsers de picosegons o femtosegons produeix petites estructures periòdiques a nanoescala que es mostren com a marques negres d'alt contrast", diu George a Tonson. Aquestes marques negres són independents de l'angle de visió i mostren contrast negre a qualsevol angle de visió".
La investigació continua sobre si els polsos de femtosegons poden aconseguir una millor qualitat de marcador que els polsos de picosegundo. Tanmateix, les taxes de repetició més altes permeten una exploració més ràpida i, per tant, temps de cicle més curts. Per tant, les aplicacions de marcatge mèdic han de tenir en compte la compensació entre velocitat i qualitat.
En marques negres, baixes energies de pols (<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."
Aplicació 3: Soldadura i tall
El processament de materials trencadissos com el vidre és un altre mercat industrial emergent per als làsers de femtosegons.
Segons Antonio Castelo, gerent de tecnologia fotònica de l'European Photonics Industry Consortium (EPIC), el processament del vidre requereix una combinació precisa de longitud d'ona i energia de pols. Si no s'utilitzen els paràmetres correctes, sovint s'afegeixen passos de polit addicionals al final del procés.
Castelo diu: "Alguns processos utilitzats per a materials de vidre i polímers poden requerir diferents longituds d'ona a l'infraroig proper i mitjà, i ara hi ha una gamma completa de solucions disponible en 2- i 3-micres".
El tall i la soldadura de vidre o plàstics fràgils transparents requereixen una òptica especial per aconseguir un determinat perfil de pols conegut com a feix de Bessel. Aquest feix crea una sèrie de focus lineals sobre el material que s'està processant, semblant a un ganivet làser prim que pot modificar el material en una sola passada.
El gruix màxim que es pot processar està limitat per l'energia del pols. Com més gruixut sigui el material, més gran serà l'energia del pols requerida.
Per a la soldadura de vidre, l'energia de pols oscil·la entre {{0}}.01 mJ a 0,04 mJ, depenent del tipus de material, i per al tall de vidre, una energia de pols de 0,1 mJ a 2 Es pot utilitzar mJ, depenent del gruix de la mostra a processar", diu Huerta-Murillo de ThruPoint. El tall per làser de plaques de vidre de fins a 12 mm de gruix ja s'ha realitzat al Thomson Application Laboratory".
La durada del pols és un altre factor important en el processament del vidre. Per exemple, el tall de vidre transparent es pot fer amb polsos de picosegons. Però per soldar vidre transparent, els polsos de femtosegons són més útils perquè aconsegueixen una potència màxima més alta, cosa que fa que el vidre es fongui en una àrea localitzada específica.
Aplicació 4: Microscòpia multifotònica
Els polsos de femtosegons són especialment adequats per induir aplicacions multifotòns que són valuoses per a aplicacions d'imatges biològiques i científiques, com ara microscòpia no lineal, optogenètica de dos fotons i imatges de tres fotons.
Els principals usuaris finals d'aquests mercats són biòlegs i neurocientífics amb antecedents òptics limitats. Afegir funcionalitats per simplificar les eines làser és especialment atractiu per a aquests usuaris finals.
Sempre es torna al valor afegit per a l'usuari, la majoria de vegades en termes de facilitat d'ús i usabilitat", diu Arrigoni de Coherent. Els usuaris dels laboratoris d'imatge bàsics, que solen rotar i sense experiència, poden beneficiar-se d'un conjunt complet de claus en mà. rendiment i acceptar fàcilment dues vegades el preu d'un sistema làser clau en mà".
Al voltant del 80 per cent de les aplicacions científiques dels làsers ultraràpids es realitzen amb làsers clau en mà, que tenen una potència mitjana de 10 W, freqüències de pols entre 1 kHz i 10 MHz, amplades de pols que es poden ajustar entre 20 fs i 200 fs i longituds d'ona ajustables entre 200 nm i 1,000 nm.
Per als làsers de femtosegons dirigits a fenòmens multifotòns en aplicacions de ciències de la vida, l'energia del pols o la potència màxima sol ser el factor més important, va dir Wolfring. Per obtenir bons resultats, aquests paràmetres s'han de mantenir dins d'un interval determinat. Si la potència és massa baixa, l'eficiència del procés de dos fotons pot no ser suficient per produir imatges microscòpiques amb un bon contrast. Si els paràmetres són massa alts, la imatge del microscopi pot mostrar mostres de teixit cremat.
En general, les aplicacions d'imatge multifotònica requereixen que els làsers produeixin desenes a centenars de nanojoules d'energia entre freqüències de pols d'1 a 100 MHz per donar suport a l'exploració ràpida d'imatges i evitar danys a les mostres biològiques.
En principi, com més curt és el pols, majors són els efectes no lineals, però mantenir una amplada de pols curta mentre es propaga pel sistema òptic és un factor important; paràmetres com els efectes de dispersió i compensació esdevenen importants.
Com equilibrar l'ideal amb la realitat?
Des de l'espectroscòpia fins a la informàtica fotònica, els làsers ultra ràpids encara estan trobant noves àrees d'aplicació.
Els clients d'aquests camps exigeixen flexibilitat i ajustabilitat dels seus làsers, però la vida útil de les fonts ultraràpides encara no s'ajusta a la mida del mercat. segons Florian Emaury, director general de Menhir Photonics, les compensacions per lliurar productes a aquests mercats emergents són un repte que val la pena assolir.
El disseny de sistemes làser ultraràpids per a aquests mercats ha d'equilibrar les necessitats dels clients amb els lliuraments raonables en termes de fiabilitat i fabricabilitat. La construcció d'un sistema robust clau en mà requereix passos iteratius, començant per determinar les especificacions mínimes necessàries per a l'aplicació desitjada.
Emaury diu que els requisits dels clients sempre són raonables per al que necessiten, però els clients poques vegades consideren el que volen en termes de fiabilitat i repetibilitat del sistema que necessiten. Tenir en compte el cost de propietat del làser durant molts anys és clau.
Progrés futurs?
Els làsers ultraràpides són cada cop més compactes, a més de ser més fàcils d'utilitzar i un preu més competitiu. Els sistemes basats en fibra permeten un lliurament de feix més flexible, que permet una fàcil integració en línies de producció estretes, sistemes de microscopi o entorns mèdics.
Les petjades més petites també permeten instal·lar làsers ultra ràpids en dispositius més petits, com ara arquitectures de computació fotònica, on la precisió dels polsos ultracurts permet als microprocessadors fotònics realitzar càlculs més ràpidament amb menys energia.
Emaury diu: "Veiem això com un mercat amb una demanda molt alta i tenim previst produir centenars de milers, si no milions, de làsers a l'any". Per descomptat, de moment aquests làsers seran més petits que la mida d'un telèfon mòbil, però seran el component bàsic de qualsevol ordinador de gamma alta".
Els làsers especialitzats per a la informàtica fotònica hauran de proporcionar taxes de repetició a nivell de gigahertz i cronometrar amb precisió cada pols dins d'una finestra de 10 fs.
Tot i que aquest i altres mercats poden requerir paràmetres complexos encara no possibles amb els làsers actuals, els seus avenços recents estan alimentant nous desenvolupaments.
A mesura que evolucionen els làsers ultraràpides, un rendiment més robust i versàtil en termes de velocitat de repetició, longitud d'ona i durada del pols comportarà inevitablement un gran trencament en l'expansió de les seves aplicacions. Però sembla que hi ha una mena de mutu entre com la tecnologia impulsa el mercat.
"El desenvolupament dels làsers de fibra en els darrers anys ha demostrat que les noves longituds d'ona làser i nous nivells de potència, que es poden assolir mitjançant nous conceptes com l'amplificació de polsos xip, proporcionen una empenta tecnològica important perquè els làsers de fibra entrin als mercats clau actuals". va dir Wolfring. Traduït amb www.DeepL.com/Translator (versió gratuïta)
