Ultrakurzpulslaser wie Femtosekundenlaser werden zunehmend zu benutzerfreundlichen Plug-and-Play-Geräten, die für eine Vielzahl industrieller und biomedizinischer Anwendungen geeignet sind. Vor fünfzehn Jahren waren diese Laser große Großrechner, deren Optik täglich gereinigt werden musste , regelmäßige Wartung des Kühlwassers und ständige Optimierung der Laserparameter.
Heutzutage haben Festkörper- und Glasfaserplattformen, die bewährte photonische Kristallfaserverstärkungstechnologie und Chirped-Pulse-Verstärkungsarchitekturen verwenden, kompakte, zuverlässige und kostengünstigere Femtosekundenlaser hervorgebracht.
Bei heutigen ultrakurzen Quellen ist der Laserhohlraum gasdicht, und noch größere Scheiben- oder Plattenverstärkungshohlräume sind für eine effektivere Isolierung von der Umgebung eingeschlossen. Das bedeutet, dass moderne Ultrakurzpulslaser nicht mehr vor Ort manuell kalibriert werden müssen und weniger von Temperatur- oder Feuchtigkeitsschwankungen betroffen sind.
„Wenn man vor Jahrzehnten stark neben einem ultraschnellen Laser nieste, konnte es zu einer Fehlausrichtung oder einem Verlust der Modenkopplung kommen“, sagte Heather George, Produktmanagerin bei TRUMPF. „Das Aufkommen passiv modengekoppelter Seed-Laser statt aktiver modengekoppelter Seed-Laser.“ Laser, hat industrielle Ultrakurzpulslaser möglich gemacht.
Komplette Femtosekundenlaserquellen sind mittlerweile in verschiedenen Preisklassen sowie mit flexiblen Pulsdauern, Pulsenergien, Durchschnittsleistungen und Strahlparametern erhältlich.
Viele dieser Systeme gehen noch einen Schritt weiter, indem sie Funktionen wie eine automatische Vorkompensation für unerwünschte Gruppengeschwindigkeitsstreuung oder integrierte akusto-optische Modulatoren integrieren, die eine Steuerung der Durchschnittsleistung, der Energie pro Impuls und der Wiederholungsrate ermöglichen.
„Abgesehen von geringfügigen und langsamen Leistungseinbußen, die mit der natürlichen Alterung der Komponenten einhergehen, erfordert der gesamte Laser keine regelmäßigen Anpassungen oder Neuoptimierungen durch den Benutzer, und er sollte ferndiagnosefähig sein und Fernwartungseingriffe ermöglichen, um die Betriebszeit zu maximieren.“ sagte Marco Arrigoni, Marketingdirektor bei Coherent Corp.
Während benutzerfreundliche ultraschnelle Systeme zunehmend verfügbar werden, kann ein besseres Verständnis der Parameter dieser Laser dazu beitragen, ihren Durchsatz, ihre Qualität und ihre Anwendungseffizienz zu verbessern. Faserbasierte Ultrakurzpulslaser können jahrelang mit geringem Wartungsaufwand betrieben werden und sind relativ erschwinglich. Typische Femtosekunden-Faserlaser mit Ausgangsleistungen von weniger als 10 W, Wiederholfrequenzen zwischen 80 und 100 MHz und Pulsenergien zwischen 10 und 20 nJ kosten etwa 50 $,000, etwa die Hälfte des Preises früherer Produkte.
Allerdings steigen die Kosten mit zunehmender durchschnittlicher Leistung/Impulsenergie. Aktuelle ultraschnelle Laser haben durchschnittliche Leistungen zwischen 10 und 200 W, Pulsbreiten von weniger als 300 fs, Pulsenergien zwischen 0,1 und 2 mJ und Burst-Energien von 8 mJ. Die Preise für diese Laser liegen zwischen 80 $000 und 100 $000.
Bernhard Wolfring, Produktmanager für Ultrakurzpulslaser bei TOPTICA Photonics AG, sagt, dass die Designlösung die Kosten im Verhältnis zu den physikalischen Eigenschaften des benötigten Laserwerkzeugs berücksichtigen muss. „Die erforderliche Mindestleistung erlaubt es nicht, die Kosten unter ein bestimmtes Niveau zu senken“, sagt er. „Andererseits trägt der maximale Leistungsbedarf dazu bei, eine Überdimensionierung des Systems hinsichtlich Kosten und Funktionalität zu vermeiden. Das Ergebnis ist in der Regel ein optimales Gleichgewicht zwischen Design und Kosten sowie Design und Parametern für spezialisierte Lasersysteme.“
Anwendung eins: Materialverarbeitung
Femtosekundenlaser werden weiterhin in einer Vielzahl von Materialbearbeitungsanwendungen eingesetzt, beispielsweise beim Schneiden von Folien für Flachbildschirme, bei der Mikrobearbeitung medizinischer Gerüste und beim Ritzen von Wafern.
Femtosekundenpulse führen bei Mikrobearbeitungsanwendungen zu einer besseren Qualität im Vergleich zu Piko- oder Nanosekundenpulsen, teilweise weil Femtosekundenpulse die Auswirkungen thermischer Defekte wie Wärmeeinflusszonen (HAZ) oder Ablagerungen rund um den Bearbeitungsbereich minimieren. Es ist erwähnenswert, dass es bei diesen Vorteilen auch einen Kern gibt: Bei den meisten Materialien verbessern Impulse von weniger als 350 fs die Bearbeitungseffizienz nicht und erfordern möglicherweise teurere Optiken. Darüber hinaus ist die Pulsbreite selbst nur ein Teil des Problems.
Hui Imam, Direktor für strategisches Marketing für ultraschnelle Laser bei NKT Photonics, sagt: „Wir glauben, dass die Pulsbreite etwas irreführend sein kann. Der wichtige Parameter ist die Spitzenleistung, also die Energiemenge, die in einer kurzen Femtosekunde abgegeben wird. Je höher der Spitzenwert.“ Je mehr Leistung für einen bestimmten kurzen Femtosekundenpuls benötigt wird, desto mehr Material wird mit weniger thermischer Belastung abgetragen.
Eine reduzierte Wärmebehandlung ist für temperatur- oder mechanisch empfindliche Materialien wie Nitinol, Polymere, mit Medikamenten injizierte Materialien oder dünne Dielektrika von entscheidender Bedeutung.
Die Pulsenergie und die durchschnittliche Leistung ultraschneller Faserlaser werden durch die Faserzerstörungsschwelle begrenzt. Verstärkungsstrukturen wie Platten- und Scheibenverstärker können höhere Pulsenergien und mittlere Leistungen erzeugen. Allerdings sind sie auch mit einer größeren Stellfläche, höheren Kosten und strengeren Kühlanforderungen verbunden.
Durchschnittliche Leistung und Wiederholrate bestimmen die maximale Pulsenergie, die mit einem einzelnen Laserpuls erreicht werden kann. Für die meisten Materialbearbeitungsanwendungen hängt die optimale Pulsenergie von der sogenannten Ablationsschwelle ab.
Der Schwellenwert variiert von Material zu Material, aber sobald die Impulsenergie den Ablationsschwellenwert des Materials überschreitet, gerät der Prozess in die Sättigung. Im Wesentlichen absorbiert das während des Ablationsprozesses erzeugte Plasma nachfolgende Impulse, was die Wärme erhöht und die Verarbeitungseffizienz verringert.
„Für die Ablation der meisten Materialien liegt die typische Pulsenergie bei der Verwendung von Femtosekundenpulsen zwischen {{0}},02 und 0,2 mJ.“ Sagte George.
Die extrem hohe Leistungsdichte von Femtosekundenlaserpulsen induziert zudem eine Zwei- oder Mehrphotonenabsorption im Material, wodurch dreidimensionale Strukturen mit feiner Auflösung entstehen, die über die Grenzen der optischen Beugung hinausgehen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Mikro-/Nano-Herstellungstechniken bietet die Femtosekunden-Laserbearbeitung sowohl nanoskalige Strukturgrößen als auch dreidimensionale Architekturmöglichkeiten.
Die Menge der pro Flächeneinheit übertragenen Lichtenergie (Laserfluenz genannt) bestimmt die Effizienz der Ablationsrate (mm3/min/W). Für die meisten Materialien beträgt der optimale Spitzenfluenzwert, der die höchste Verarbeitungsqualität mit der effizientesten Nutzung der Lichtenergie verbindet, etwa 1 J/cm2.
Jim Bovatsek, Senior Applications Engineering Manager bei MKS Spectra-Physics, sagt: „Flüsse unterhalb des Spitzenwerts führen zu einem starken Rückgang der Effizienz, während höhere Flüsse zu einem allmählichen Rückgang der Effizienz führen.“ Dies ermöglicht einen höheren Durchsatz durch die Ausführung mit höheren Wiederholungsraten, was zu einer höheren Durchschnittsleistung führt.
Irgendwann jedoch bewegt sich entweder die Hilfsbewegungs-/Scanausrüstung nicht schnell genug, oder die Fähigkeit des Materials, Restwärmeenergie abzuleiten, reicht nicht aus, oder beides, und das Ergebnis ist eine nicht ideale Wärmeeinflusszone.
Für Schneidmaterialien wie Nitinol scheinen eine Laserwiederholungsfrequenz und eine Pulsenergie von 100 kHz bzw. ~80 µJ eine Obergrenze zu sein, bevor sich eine Wärmeeinflusszone (HAZ) zu bilden beginnt, während eine Pulsfrequenz größer als ist 2 MHz mit einer Leistung von mehr als 100 W können zum Schneiden von Polymerfolien wie Polyethylenterephthalat und Polyimid verwendet werden, sagte Bovatsek.
Anwendung 2: Kennzeichnung medizinischer Teile
Femtosekundenlaser können die ideale technische Lösung zur Kennzeichnung wiederverwendbarer Medizinprodukte sein, wenn die Produktionsmenge den Preis des Lasers kompensiert.
Die Kennzeichnung medizinischer Geräte mit permanenten 2D-Barcodes in Schwarz oder dunklen Farben wird immer häufiger eingesetzt, um diese Geräte zu registrieren und zu verfolgen, wann sie gereinigt werden.
Typischerweise erfordert die Markierung dieser Gegenstände den Einsatz kostengünstiger gepulster Nanosekundenlaser. Diese Marker werden chemisch behandelt, um korrosionsbeständig zu sein. Femtosekundenlaser erzeugen jedoch eine unauslöschliche Markierung, die mit der Zeit nicht korrodiert und oxidiert, sodass zusätzliche chemische Behandlungsschritte möglicherweise nicht erforderlich sind.
„Bei der Bearbeitung von Metallen mit Pikosekunden- oder Femtosekundenlasern entstehen kleine periodische Strukturen im Nanobereich, die als kontrastreiche schwarze Markierungen sichtbar sind“, sagt George von Tonson. Diese schwarzen Markierungen sind unabhängig vom Betrachtungswinkel und zeigen schwarzen Kontrast in jedem Betrachtungswinkel.“
Es wird weiterhin daran geforscht, ob mit Femtosekundenpulsen eine bessere Markerqualität als mit Pikosekundenpulsen erreicht werden kann. Höhere Wiederholungsraten ermöglichen jedoch ein schnelleres Scannen und damit kürzere Zykluszeiten. Daher müssen medizinische Kennzeichnungsanwendungen den Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Qualität berücksichtigen.
Bei der Schwarzmarkierung sind niedrige Pulsenergien (<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."
Anwendung 3: Schweißen und Schneiden
Die Verarbeitung spröder Materialien wie Glas ist ein weiterer aufstrebender Industriemarkt für Femtosekundenlaser.
Laut Antonio Castelo, Photonik-Technologiemanager beim European Photonics Industry Consortium (EPIC), erfordert die Glasbearbeitung eine genaue Kombination von Wellenlänge und Pulsenergie. Wenn nicht die richtigen Parameter verwendet werden, müssen am Ende des Prozesses häufig zusätzliche Polierschritte hinzugefügt werden.
Castelo sagt: „Einige Prozesse für Glas- und Polymermaterialien erfordern möglicherweise unterschiedliche Wellenlängen im nahen und mittleren Infrarot, und eine vollständige Palette von Lösungen ist jetzt in 2- und 3- Mikrometern verfügbar.“
Das Schneiden und Schweißen von Glas oder klaren, spröden Kunststoffen erfordert eine spezielle Optik, um ein bestimmtes Impulsprofil zu erzielen, das als Bessel-Strahl bekannt ist. Dieser Strahl erzeugt eine Reihe linearer Brennpunkte auf dem zu bearbeitenden Material, ähnlich einem dünnen Lasermesser, das das Material in einem einzigen Durchgang verändern kann.
Die maximal verarbeitbare Dicke wird durch die Pulsenergie begrenzt. Je dicker das Material, desto höher ist die erforderliche Pulsenergie.
Beim Glasschweißen liegt die Pulsenergie je nach Materialart zwischen {{0}},01 mJ und 0,04 mJ und beim Glasschneiden zwischen 0,1 mJ und 2 mJ Abhängig von der Dicke der zu verarbeitenden Probe können mJ verwendet werden“, sagt Huerta-Murillo von ThruPoint. Das Laserschneiden von Glasplatten mit einer Dicke von bis zu 12 mm wurde im Thomson Application Laboratory bereits realisiert.
Die Pulsdauer ist ein weiterer wichtiger Faktor bei der Glasbearbeitung. Beispielsweise kann das Schneiden von Klarglas mit Pikosekundenimpulsen erfolgen. Beim Schweißen von Klarglas sind Femtosekundenpulse jedoch nützlicher, da sie eine höhere Spitzenleistung erreichen, die dazu führt, dass das Glas in einem bestimmten lokalen Bereich schmilzt.
Anwendung 4: Multiphotonenmikroskopie
Femtosekundenpulse eignen sich besonders gut zur Induktion von Multiphotonenanwendungen, die für biologische und wissenschaftliche Bildgebungsanwendungen wie nichtlineare Mikroskopie, Zwei-Photonen-Optogenetik und Drei-Photonen-Bildgebung wertvoll sind.
Die primären Endnutzer in diesen Märkten sind Biologen und Neurowissenschaftler mit begrenztem optischen Hintergrund. Das Hinzufügen von Funktionen zur Vereinfachung von Laserwerkzeugen ist für diese Endbenutzer besonders attraktiv.
Es kommt immer auf den Mehrwert für den Benutzer an, am häufigsten in Bezug auf Benutzerfreundlichkeit und Benutzerfreundlichkeit“, sagt Arrigoni von Coherent. Benutzer in zentralen Bildgebungslaboren, die häufig wechseln und unerfahren sind, können von einer vollständigen Suite schlüsselfertiger Lösungen profitieren Leistung und nehmen gerne den doppelten Preis eines schlüsselfertigen Lasersystems in Kauf.“
Etwa 80 Prozent der wissenschaftlichen Anwendungen für ultraschnelle Laser werden mit schlüsselfertigen Lasern realisiert, die eine durchschnittliche Leistung von 10 W, Pulsfrequenzen zwischen 1 kHz und 10 MHz, einstellbare Pulsbreiten zwischen 20 fs und 200 fs und abstimmbare Wellenlängen dazwischen haben 200 nm und 1,000 nm.
Bei Femtosekundenlasern, die auf Multiphotonenphänomene in biowissenschaftlichen Anwendungen abzielen, sei die Pulsenergie oder Spitzenleistung normalerweise der wichtigste Faktor, sagte Wolfring. Um gute Ergebnisse zu erzielen, müssen diese Parameter in einem bestimmten Bereich gehalten werden. Bei zu geringer Leistung reicht die Effizienz des Zwei-Photonen-Verfahrens möglicherweise nicht aus, um mikroskopische Bilder mit gutem Kontrast zu erzeugen. Bei zu hohen Parametern kann es im Mikroskopbild zu verbrannten Gewebeproben kommen.
Im Allgemeinen erfordern Multiphotonen-Bildgebungsanwendungen, dass Laser Energie im Bereich von mehreren zehn bis Hunderten von Nanojoule bei Pulsfrequenzen von 1 bis 100 MHz abgeben, um ein schnelles Scannen von Bildern zu ermöglichen und Schäden an biologischen Proben zu vermeiden.
Prinzipiell gilt: Je kürzer der Puls, desto höher die nichtlinearen Effekte, aber die Aufrechterhaltung einer kurzen Pulsbreite während der Ausbreitung durch das optische System ist ein wichtiger Faktor; Parameter wie Dispersions- und Kompensationseffekte werden wichtig.
Wie kann man das Ideal mit der Realität in Einklang bringen?
Von der Spektroskopie bis zum Photonik-Computing finden ultraschnelle Laser immer noch neue Anwendungsbereiche.
Kunden in diesen Bereichen fordern Flexibilität und Abstimmbarkeit von ihren Lasern, aber die Lebensdauer ultraschneller Quellen entspricht noch nicht der Größe des Marktes. Laut Florian Emaury, CEO von Menhir Photonics, sind die Kompromisse bei der Lieferung von Produkten in diese aufstrebenden Märkte eine Herausforderung, die es wert ist, bewältigt zu werden.
Bei der Entwicklung ultraschneller Lasersysteme für diese Märkte muss ein Gleichgewicht zwischen Kundenbedürfnissen und angemessenen Ergebnissen im Hinblick auf Zuverlässigkeit und Herstellbarkeit hergestellt werden. Der Aufbau eines robusten, schlüsselfertigen Systems erfordert iterative Schritte – beginnend mit der Bestimmung der Mindestspezifikationen, die für die gewünschte Anwendung erforderlich sind.
Laut Emaury sind die Kundenanforderungen immer angemessen für das, was sie benötigen, aber Kunden berücksichtigen selten, was sie in Bezug auf Zuverlässigkeit und Wiederholbarkeit für das von ihnen benötigte System wollen. Entscheidend ist die Berücksichtigung der Betriebskosten des Lasers über viele Jahre hinweg.
Zukünftiger Fortschritt?
Ultrakurzpulslaser werden immer kompakter, einfacher zu bedienen und preislich wettbewerbsfähiger. Faserbasierte Systeme ermöglichen eine flexiblere Strahlführung, was eine einfache Integration in enge Produktionslinien, Mikroskopsysteme oder medizinische Umgebungen ermöglicht.
Kleinere Stellflächen ermöglichen auch die Installation ultraschneller Laser in kleineren Geräten, beispielsweise in photonischen Computerarchitekturen, wo die Präzision ultrakurzer Impulse es photonischen Mikroprozessoren ermöglicht, Berechnungen schneller und mit weniger Energie durchzuführen.
Emaury sagt: „Wir sehen dies als einen Markt mit sehr hoher Nachfrage und planen, Hunderttausende, wenn nicht Millionen Laser pro Jahr zu produzieren.“ Natürlich werden diese Laser vorerst kleiner sein als die Größe eines Mobiltelefons, aber sie werden die Kernkomponente jedes High-End-Computers sein.“
Laser, die auf photonisches Computing spezialisiert sind, müssen Wiederholungsraten im Gigahertz-Bereich bieten und jeden Impuls innerhalb eines 10-fs-Fensters präzise zeitlich steuern.
Während dieser und andere Märkte möglicherweise komplexe Parameter erfordern, die mit heutigen Lasern noch nicht möglich sind, treiben ihre jüngsten Fortschritte neue Entwicklungen voran.
Mit der Weiterentwicklung ultraschneller Laser wird eine robustere und vielseitigere Leistung in Bezug auf Wiederholungsrate, Wellenlänge und Pulsdauer unweigerlich zu einer großen Unterbrechung der Ausweitung ihrer Anwendungen führen. Aber es scheint eine Art gegenseitiges Geben und Nehmen zwischen der Art und Weise zu geben, wie die Technologie den Markt antreibt.
„Die Entwicklung von Faserlasern in den letzten Jahren hat gezeigt, dass neue Laserwellenlängen und neue Leistungsniveaus, die durch neue Konzepte wie Chirped-Puls-Verstärkung erreicht werden können, einen wichtigen technologischen Schub für den Eintritt von Faserlasern in die aktuellen Schlüsselmärkte darstellen.“ sagte Wolfring. Übersetzt mit www.DeepL.com/Translator (kostenlose Version)
