با ادامه نوآوری فناوری لیزر فوق سریع، چه بازارهای کاربردی جدیدی باز خواهند شد؟

لیزرهای پالسی اولتراکوتاه، مانند لیزرهای فمتوثانیه، به طور فزاینده‌ای در حال تبدیل شدن به دستگاه‌های پلاگین و بازی با کاربری آسان و مناسب برای طیف گسترده‌ای از کاربردهای صنعتی و زیست پزشکی هستند. پانزده سال پیش، این لیزرها پردازنده‌های بزرگی بودند که نیاز به تمیز کردن روزانه اپتیک داشتند. نگهداری منظم آب خنک کننده و بهینه سازی ثابت پارامترهای لیزر.
امروزه، پلتفرم‌های حالت جامد و فیبر نوری با استفاده از فناوری تقویت فیبر کریستال فوتونیک اثبات‌شده و معماری‌های تقویت پالس چیپ، لیزرهای فمتوثانیه‌ای فشرده، قابل اعتماد و کم‌هزینه تولید کرده‌اند.

در منابع اولتراکوتاه امروزی، حفره لیزر ضد گاز است و حتی حفره های تقویت کننده دیسک یا صفحه بزرگتر برای جداسازی موثرتر از محیط محصور شده است. این بدان معناست که لیزرهای فوق سریع مدرن دیگر نیازی به کالیبره شدن دستی در میدان ندارند و کمتر تحت تأثیر تغییرات دما یا رطوبت قرار می گیرند.
هدر جورج، مدیر محصول TRUMPF، می‌گوید: «دهه‌ها پیش، اگر در کنار یک لیزر فوق‌سریع عطسه شدید می‌کردید، می‌توانست حالت قفل را از دست بدهد یا حالت قفل را از دست بدهد. لیزر، لیزرهای فوق سریع صنعتی را ممکن کرده است."
منابع لیزر کامل فمتوثانیه اکنون با قیمت های مختلف و همچنین مدت زمان پالس انعطاف پذیر، انرژی پالس، توان متوسط ​​و پارامترهای پرتو در دسترس هستند.

بسیاری از این سیستم‌ها با یکپارچه‌سازی ویژگی‌هایی مانند پیش جبران خودکار برای پراکندگی ناخواسته سرعت گروهی یا تعدیل‌کننده‌های آکوستو-اپتیک یکپارچه، که امکان کنترل میانگین توان، انرژی در هر پالس و نرخ تکرار را فراهم می‌کنند، فراتر می‌روند.
جدا از کاهش عملکرد جزئی و آهسته مرتبط با پیری اجزای طبیعی، لیزر کامل نیازی به تنظیمات دوره‌ای یا بهینه‌سازی مجدد توسط کاربر ندارد و باید از راه دور تشخیص داده شود و برای به حداکثر رساندن زمان کارکرد، مداخله خدمات از راه دور ارائه دهد. مارکو آریگونی، مدیر بازاریابی شرکت Coherent Corp می گوید.

در حالی که سیستم های فوق سریع کاربر پسند به طور فزاینده ای در دسترس هستند، درک بهتر پارامترهای این لیزرها می تواند به بهبود توان عملیاتی، کیفیت و کارایی کاربرد آنها کمک کند. لیزرهای فوق سریع مبتنی بر فیبر می توانند سال ها با تعمیر و نگهداری کمی کار کنند و نسبتاً مقرون به صرفه هستند. لیزرهای فیبر فمتوثانیه معمولی با توان خروجی کمتر از 10 وات، فرکانس های تکرار بین 80 تا 100 مگاهرتز، و انرژی پالس بین 10 تا 20 nJ حدود 50 دلار،000، تقریباً نصف قیمت محصولات قبلی، قیمت دارند.
با این حال، با افزایش میانگین انرژی توان/پالس، هزینه افزایش می‌یابد. لیزرهای فوق سریع فعلی دارای توان متوسط ​​بین 10 تا 200 وات، عرض پالس کمتر از 300 fs، انرژی پالس بین 0.1 تا 2 میلی ژول و انرژی انفجاری 8 میلی ژول هستند. قیمت این لیزرها در بازه 80 دلار،{8}} تا 100 دلار{10}} است.

Bernhard Wolfring، مدیر محصول لیزرهای فوق سریع در TOPTICA Photonics AG، می گوید که راه حل طراحی باید هزینه در مقابل ویژگی های فیزیکی ابزار لیزر مورد نیاز را در نظر بگیرد. او می گوید: «حداقل توان مورد نیاز اجازه نمی دهد هزینه ها به زیر یک سطح معین کاهش یابد. "از سوی دیگر، حداکثر توان مورد نیاز به جلوگیری از بزرگ شدن سیستم از نظر هزینه و عملکرد کمک می کند. نتیجه معمولاً تعادل بهینه بین طراحی و هزینه و طراحی و پارامترها برای سیستم های لیزر تخصصی است."

کاربرد اول: پردازش مواد

استفاده از لیزرهای فمتوثانیه در طیف گسترده ای از کاربردهای پردازش مواد، مانند برش فویل برای نمایشگرهای صفحه تخت، ریزماشین کاری داربست های پزشکی و خط کشی ویفر ادامه دارد.
پالس‌های فمتوثانیه در مقایسه با پالس‌های پیکو یا نانوثانیه کیفیت بهتری در کاربردهای ریزماشین‌کاری دارند، تا حدی به این دلیل که پالس‌های فمتوثانیه تأثیر نقص‌های حرارتی، مانند مناطق متاثر از حرارت (HAZ) یا زباله‌های اطراف منطقه پردازش را به حداقل می‌رسانند. شایان ذکر است که این مزایا نتیجه‌ای دارد: برای اکثر مواد، پالس‌های کوتاه‌تر از 350 fs راندمان ماشین‌کاری را بهبود نمی‌بخشند و ممکن است به اپتیک‌های گران‌تری نیاز داشته باشند. علاوه بر این، عرض پالس خود تنها بخشی از مشکل است.

هوی امام، مدیر بازاریابی استراتژیک لیزرهای فوق سریع در NKT Photonics، می گوید: "ما فکر می کنیم که عرض پالس می تواند کمی گمراه کننده باشد. پارامتر مهم پیک توان است که مقدار انرژی تحویل شده در یک فمتوثانیه کوتاه است. پیک بالاتر است. قدرت برای یک پالس کوتاه فمتوثانیه ای معین، مواد بیشتری با تاثیر حرارتی کمتری از بین می روند."
عملیات حرارتی کاهش یافته برای مواد حساس به دما یا مکانیکی مانند نیتینول، پلیمرها، مواد تزریق شده با دارو یا دی الکتریک های نازک حیاتی است.
انرژی پالس و توان متوسط ​​لیزرهای فیبر فوق سریع توسط آستانه آسیب فیبر محدود می شود. ساختارهای تقویت کننده مانند تقویت کننده های صفحه و دیسک می توانند انرژی پالس بالاتر و توان متوسط ​​تولید کنند. اما آنها همچنین دارای ردپای بزرگتر، هزینه بالاتر و الزامات خنک کننده دقیق تر هستند.
میانگین توان و سرعت تکرار حداکثر انرژی پالسی را تعیین می کند که می توان با یک پالس لیزر به دست آورد. برای اکثر کاربردهای پردازش مواد، انرژی پالس بهینه به آستانه فرسایش بستگی دارد.
آستانه از ماده ای به ماده دیگر متفاوت است، اما زمانی که انرژی پالس از آستانه فرسایش ماده فراتر رفت، فرآیند اشباع می شود. در اصل، پلاسمای ایجاد شده در طول فرآیند فرسایش، پالس های بعدی را جذب می کند که باعث افزایش گرما و کاهش راندمان پردازش می شود.
"برای فرسایش بیشتر مواد، انرژی پالس معمولی هنگام استفاده از پالس های فمتوثانیه بین {{0}}.02 و 0.2 میلی ژول است." جورج گفت.
چگالی توان بسیار بالای پالس های لیزر فمتوثانیه همچنین باعث جذب دو یا چند فوتون در ماده می شود که در نتیجه ساختارهای سه بعدی با وضوح خوب فراتر از محدودیت های پراش نوری ایجاد می شود. برخلاف تکنیک‌های سنتی ساخت میکرو/نانو، پردازش لیزر فمتوثانیه هم اندازه ویژگی‌های نانومقیاس و هم قابلیت‌های معماری سه‌بعدی را ارائه می‌دهد.
مقدار انرژی نوری منتقل شده در واحد سطح (به نام شار لیزری) بازده سرعت فرسایش (mm3/min/W) را تعیین می کند. برای اکثر مواد، مقدار حداکثر جریان بهینه که بالاترین کیفیت پردازش را با کارآمدترین استفاده از انرژی نور ترکیب می‌کند، تقریباً 1 J/cm2 است.
جیم بواتسک، مدیر ارشد مهندسی برنامه‌های کاربردی در MKS Spectra-Physics، می‌گوید: «شارهای زیر پیک منجر به افت شدید بازده می‌شوند، در حالی که شارهای بالاتر منجر به کاهش تدریجی راندمان می‌شوند». این باعث می شود تا با اجرای با نرخ های تکرار بالاتر، توان عملیاتی بالاتری داشته باشید که منجر به میانگین توان بالاتر می شود.
با این حال، در برخی مواقع، یا تجهیزات کمکی حرکت/اسکن به اندازه کافی سریع حرکت نمی‌کنند، یا توانایی مواد برای اتلاف انرژی گرمایی باقیمانده کافی نیست، یا هر دو، و نتیجه یک منطقه تحت تأثیر حرارت کمتر از ایده‌آل است.
برای برش موادی مانند نیتینول، فرکانس تکرار لیزر و انرژی پالس به ترتیب 100 کیلوهرتز و ~80 میکروژول به نظر می رسد که حد بالایی قبل از تشکیل منطقه متاثر از گرما (HAZ) باشد، در حالی که فرکانس پالس بیشتر از بواتسک گفت: 2 مگاهرتز با توان بیش از 100 وات می تواند برای برش فیلم های پلیمری مانند پلی اتیلن ترفتالات و پلی آمید استفاده شود.

کاربرد 2: علامت گذاری قطعات پزشکی
لیزرهای فمتوثانیه می توانند راه حل فنی ایده آلی برای علامت گذاری دستگاه های پزشکی قابل استفاده مجدد باشند اگر حجم تولید هزینه لیزر را جبران کند.
یک برنامه رو به رشد برای علامت گذاری دستگاه های پزشکی با بارکدهای دو بعدی دائمی در رنگ های سیاه یا تیره وجود دارد که می تواند برای ثبت این ابزارها و پیگیری زمان تمیز کردن آنها استفاده شود.
به طور معمول، علامت گذاری این موارد نیاز به استفاده از لیزرهای پالسی نانوثانیه ای ارزان تر دارد. این نشانگرها از نظر شیمیایی تحت درمان قرار می گیرند تا در برابر خوردگی مقاوم باشند. با این حال، لیزرهای فمتوثانیه یک علامت پاک نشدنی ایجاد می کنند که در طول زمان خورده و اکسید نمی شود، بنابراین ممکن است مراحل درمان شیمیایی اضافی لازم نباشد.
فرآوری فلزات با لیزرهای پیکوثانیه یا فمتوثانیه ساختارهای تناوبی کوچکی را در مقیاس نانو تولید می‌کند که به‌عنوان نشانه‌های سیاه با کنتراست بالا نشان داده می‌شوند.» جورج در تونسون می‌گوید.
تحقیقات در مورد اینکه آیا پالس های فمتوثانیه می توانند به کیفیت نشانگر بهتری نسبت به پالس های پیکوثانیه دست یابند ادامه دارد. با این حال، نرخ تکرار بالاتر امکان اسکن سریع‌تر و در نتیجه زمان‌های چرخه کوتاه‌تر را فراهم می‌کند. بنابراین، برنامه های کاربردی علامت گذاری پزشکی باید مبادله بین سرعت و کیفیت را در نظر بگیرند.
در علامت گذاری سیاه، انرژی های پالس کم (<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."

کاربرد 3: جوش و برش
پردازش مواد شکننده مانند شیشه یکی دیگر از بازارهای صنعتی نوظهور لیزرهای فمتوثانیه است.
به گفته آنتونیو کاستلو، مدیر فناوری فوتونیک در کنسرسیوم صنعت فوتونیک اروپا (EPIC)، پردازش شیشه نیاز به ترکیب دقیقی از طول موج و انرژی پالس دارد. عدم استفاده از پارامترهای صحیح اغلب منجر به اضافه شدن مراحل پرداخت اضافی در پایان فرآیند می شود.
Castelo می‌گوید، "برخی فرآیندهایی که برای مواد شیشه‌ای و پلیمری استفاده می‌شوند ممکن است به طول‌موج‌های متفاوتی در مادون قرمز نزدیک و میانی نیاز داشته باشند، و طیف کاملی از راه‌حل‌ها اکنون در 2- و 3-میکرون موجود است."
برش و جوشکاری شیشه یا پلاستیک های شکننده شفاف نیاز به یک نوری خاص برای دستیابی به یک نیمرخ پالس مشخص به نام تیر بسل دارد. این پرتو یک سری کانون های خطی روی مواد در حال پردازش ایجاد می کند، شبیه به یک چاقوی لیزری نازک که می تواند مواد را در یک پاس تغییر دهد.
حداکثر ضخامت قابل پردازش توسط انرژی پالس محدود می شود. هر چه ماده ضخیم تر باشد، انرژی پالس مورد نیاز بیشتر است.
برای جوش شیشه، انرژی پالس از {{0}} متغیر است.01 تا 0.04 میلی ژول، بسته به نوع ماده، و برای برش شیشه، انرژی پالس 0.1 میلی ژول تا 2 است. بسته به ضخامت نمونه‌ای که باید پردازش شود، می‌توان از mJ استفاده کرد."
مدت زمان پالس یکی دیگر از عوامل مهم در پردازش شیشه است. به عنوان مثال، برش شیشه شفاف را می توان با پالس های پیکو ثانیه ای انجام داد. اما برای جوشکاری شیشه شفاف، پالس‌های فمتوثانیه مفیدتر هستند، زیرا قدرت پیک بالاتری را به دست می‌آورند که باعث ذوب شدن شیشه در یک ناحیه موضعی خاص می‌شود.

کاربرد 4: میکروسکوپ چند فوتونی
پالس های فمتوثانیه به ویژه برای القای کاربردهای چند فوتونی که برای کاربردهای تصویربرداری بیولوژیکی و علمی مانند میکروسکوپ غیرخطی، اپتوژنتیک دو فوتونی و تصویربرداری سه فوتونی ارزشمند هستند، مناسب هستند.
کاربران نهایی در این بازارها زیست شناسان و عصب شناسان با پیشینه نوری محدود هستند. افزودن قابلیت برای ساده کردن ابزارهای لیزر برای این کاربران نهایی جذاب است.
Arrigoni از Coherent می‌گوید: «این همیشه به ارزش افزوده برای کاربر برمی‌گردد، اغلب از نظر سهولت استفاده و قابلیت استفاده.» کاربران در آزمایشگاه‌های اصلی تصویربرداری، که اغلب در حال چرخش و بی‌تجربه هستند، ممکن است از مجموعه کاملی از کلید در دست بهره ببرند. عملکرد و به راحتی دو برابر قیمت یک سیستم لیزری کلید در دست را می پذیرد."
حدود 80 درصد از کاربردهای علمی لیزرهای فوق سریع با لیزرهای کلید در دست انجام می شود که دارای توان متوسط ​​10 وات، فرکانس پالس بین 1 کیلوهرتز تا 10 مگاهرتز، عرض پالس قابل تنظیم بین 20 fs تا 200 fs و طول موج های قابل تنظیم بین 200 نانومتر و 1،{8}} نانومتر.
ولفرینگ گفت: برای لیزرهای فمتوثانیه ای که پدیده های چند فوتونی را در کاربردهای علوم زیستی هدف قرار می دهند، انرژی پالس یا اوج قدرت معمولاً مهمترین عامل است. برای به دست آوردن نتایج خوب، این پارامترها باید در محدوده خاصی نگه داشته شوند. اگر توان خیلی کم باشد، کارایی فرآیند دو فوتون ممکن است برای تولید تصاویر میکروسکوپی با کنتراست خوب کافی نباشد. اگر پارامترها خیلی زیاد باشند، تصویر میکروسکوپ ممکن است نمونه های بافت سوخته را نشان دهد.
به طور کلی، کاربردهای تصویربرداری چند فوتونی برای پشتیبانی از اسکن سریع تصویر و جلوگیری از آسیب به نمونه‌های بیولوژیکی، نیازمند لیزر برای خروجی ده‌ها تا صدها نانوژول انرژی بین فرکانس‌های پالس 1 تا 100 مگاهرتز هستند.
در اصل، هرچه پالس کوتاه‌تر باشد، اثرات غیرخطی بیشتر است، اما حفظ عرض پالس کوتاه در حین انتشار در سیستم نوری یک عامل مهم است. پارامترهایی مانند اثرات پراکندگی و جبران اهمیت پیدا می کنند.

چگونه بین ایده آل و واقعیت تعادل برقرار کنیم؟
از طیف‌سنجی گرفته تا محاسبات فوتونیک، لیزرهای فوق سریع هنوز حوزه‌های کاربردی جدیدی پیدا می‌کنند.
مشتریان در این زمینه‌ها از لیزرهای خود انعطاف‌پذیری و تنظیم‌پذیری می‌خواهند، اما طول عمر منابع فوق سریع هنوز با اندازه بازار مطابقت ندارد. به گفته فلوریان ایموری، مدیر عامل منهیر فوتونیک، مبادلات برای تحویل محصولات به این بازارهای در حال ظهور چالشی است که ارزش ملاقات دارد.
طراحی سیستم‌های لیزری فوق سریع برای این بازارها باید نیازهای مشتری را با محصولات قابل تحویل منطقی از نظر قابلیت اطمینان و ساخت متعادل کند. ساختن یک سیستم قوی کلید در دست نیاز به مراحل تکراری دارد - با تعیین حداقل مشخصات مورد نیاز برای برنامه مورد نظر شروع می شود.
Emaury می گوید که نیازهای مشتری همیشه برای آنچه که نیاز دارند معقول است، اما مشتریان به ندرت آنچه را که می خواهند از نظر قابلیت اطمینان و تکرارپذیری برای سیستم مورد نیاز خود در نظر می گیرند. در نظر گرفتن هزینه مالکیت لیزر در طول سالیان متمادی کلیدی است.

پیشرفت آینده؟
لیزرهای فوق سریع در حال فشرده‌تر شدن هستند، علاوه بر این، استفاده آسان‌تر و قیمت رقابتی‌تر می‌شوند. سیستم‌های مبتنی بر فیبر امکان تحویل پرتو انعطاف‌پذیرتر را فراهم می‌کنند که امکان ادغام آسان در خطوط تولید باریک، سیستم‌های میکروسکوپ یا محیط‌های پزشکی را فراهم می‌کند.
ردپاهای کوچکتر همچنین اجازه می دهد تا لیزرهای فوق سریع در دستگاه های کوچکتر مانند معماری محاسبات فوتونیک نصب شوند، جایی که دقت پالس های فوق کوتاه به ریزپردازنده های فوتونی اجازه می دهد تا محاسبات را سریعتر با انرژی کمتر انجام دهند.
Emaury می‌گوید: «ما به این بازار به عنوان بازاری با تقاضای بسیار بالا نگاه می‌کنیم و قصد داریم صدها هزار، اگر نگوییم میلیون‌ها، لیزر در سال تولید کنیم.» البته در حال حاضر این لیزرها کوچکتر از اندازه یک تلفن همراه خواهند بود، اما جزء اصلی هر کامپیوتر پیشرفته ای خواهند بود."
لیزرهای تخصصی برای محاسبات فوتونیک باید نرخ های تکرار در سطح گیگاهرتز و زمان دقیق هر پالس را در یک پنجره 10fs ارائه کنند.
در حالی که این و سایر بازارها ممکن است به پارامترهای پیچیده ای نیاز داشته باشند که هنوز با لیزرهای امروزی امکان پذیر نیست، پیشرفت های اخیر آنها به پیشرفت های جدید دامن می زند.
همانطور که لیزرهای فوق سریع تکامل می‌یابند، عملکرد قوی‌تر و همه‌کاره‌تر از نظر سرعت تکرار، طول موج و مدت زمان پالس، ناگزیر به وقفه‌ای بزرگ در گسترش کاربردهای آنها می‌شود. اما به نظر می رسد که نوعی داد و ستد متقابل بین نحوه هدایت این فناوری به بازار وجود دارد.
توسعه لیزرهای فیبر در سال‌های اخیر نشان داده است که طول موج‌های لیزر جدید و سطوح توان جدید، که می‌توان از طریق مفاهیم جدیدی مانند تقویت پالس چیرپ به دست آورد، یک فشار تکنولوژیکی مهم برای لیزرهای فیبری برای ورود به بازارهای کلیدی فعلی ایجاد می‌کند. ولفرینگ گفت. ترجمه شده با www.DeepL.com/Translator (نسخه رایگان)