Laser berdenyut ultrapendek, seperti laser femtosecond, semakin menjadi perangkat plug-and-play yang mudah digunakan dan cocok untuk berbagai aplikasi industri dan biomedis. Lima belas tahun yang lalu, laser ini adalah mainframe besar yang memerlukan pembersihan optik setiap hari. , pemeliharaan rutin air pendingin, dan optimalisasi parameter laser secara konstan.
Saat ini, platform solid-state dan serat optik yang menggunakan teknologi amplifikasi serat kristal fotonik yang telah terbukti dan arsitektur amplifikasi pulsa berkicau telah menghasilkan laser femtosecond yang ringkas, andal, dan berbiaya rendah.
Dalam sumber ultrashort saat ini, rongga laser kedap gas, dan rongga amplifikasi disk atau pelat yang lebih besar ditutup untuk isolasi yang lebih efektif dari lingkungan. Ini berarti bahwa laser ultrafast modern tidak perlu lagi dikalibrasi secara manual di lapangan dan tidak terlalu terpengaruh oleh perubahan suhu atau kelembapan.
"Dekade yang lalu, jika Anda bersin keras di samping laser ultrafast, itu bisa salah atau kehilangan penguncian mode," kata Heather George, manajer produk TRUMPF, "Munculnya benih laser yang dikunci secara pasif, daripada benih yang dikunci dengan mode aktif laser, telah membuat laser ultrafast industri menjadi mungkin."
Sumber laser femtosecond lengkap sekarang tersedia di berbagai titik harga, serta durasi pulsa fleksibel, energi pulsa, kekuatan rata-rata, dan parameter pancaran.
Banyak dari sistem ini melangkah lebih jauh dengan mengintegrasikan fitur seperti kompensasi awal otomatis untuk dispersi kecepatan grup yang tidak diinginkan atau modulator akustik-optik terintegrasi, yang memungkinkan kontrol daya rata-rata, energi per pulsa, dan tingkat pengulangan.
"Selain dari penurunan kinerja kecil dan lambat yang terkait dengan penuaan komponen alami, laser lengkap tidak memerlukan penyesuaian berkala atau pengoptimalan ulang oleh pengguna, dan itu harus diagnostik jarak jauh dan menawarkan intervensi layanan jarak jauh untuk memaksimalkan waktu kerja." kata Marco Arrigoni, direktur pemasaran di Coherent Corp.
Sementara sistem ultracepat yang ramah pengguna semakin tersedia, pemahaman yang lebih baik tentang parameter laser ini dapat membantu meningkatkan throughput, kualitas, dan efisiensi aplikasinya. Laser ultrafast berbasis serat dapat beroperasi selama bertahun-tahun dengan sedikit perawatan dan relatif terjangkau. Laser serat femtosecond tipikal dengan daya output kurang dari 10 W, frekuensi pengulangan antara 80 dan 100 MHz, dan energi pulsa antara 10 dan 20 nJ berharga sekitar $50,000, sekitar setengah harga produk sebelumnya.
Namun, biaya meningkat dengan meningkatnya daya rata-rata/energi pulsa. Laser ultracepat saat ini memiliki kekuatan rata-rata antara 10 dan 200 W, lebar pulsa kurang dari 300 fs, energi pulsa antara 0,1 dan 2 mJ, dan energi ledakan 8 mJ. Harga laser ini berkisar antara $80,000 hingga $100,000.
Bernhard Wolfring, manajer produk laser ultrafast di TOPTICA Photonics AG, mengatakan bahwa solusi desain harus mempertimbangkan biaya versus karakteristik fisik alat laser yang diperlukan. "Daya minimum yang dibutuhkan tidak memungkinkan biaya dikurangi di bawah tingkat tertentu," katanya. "Di sisi lain, kebutuhan daya maksimum membantu menghindari oversizing sistem dalam hal biaya dan fungsionalitas. Hasilnya biasanya adalah keseimbangan optimal antara desain dan biaya, serta desain dan parameter, untuk sistem laser khusus."
Aplikasi Satu: Pemrosesan Bahan
Laser femtosecond terus digunakan dalam berbagai aplikasi pemrosesan bahan, seperti pemotongan foil untuk tampilan panel datar, perancah medis mikromesin, dan pemotongan wafer.
Pulsa Femtosecond menghasilkan kualitas yang lebih baik dalam aplikasi pemesinan mikro dibandingkan dengan pulsa pico- atau nanodetik, sebagian karena pulsa femtosecond meminimalkan dampak cacat termal, seperti zona yang terpengaruh panas (HAZ) atau kotoran di sekitar area pemrosesan. Perlu dicatat bahwa keuntungan ini ada intinya: untuk sebagian besar material, pulsa yang lebih pendek dari 350 fs tidak meningkatkan efisiensi pemesinan dan mungkin memerlukan optik yang lebih mahal. Selain itu, lebar pulsa itu sendiri hanyalah sebagian dari masalah.
Hui Imam, direktur pemasaran strategis untuk laser ultrafast di NKT Photonics, mengatakan: "Kami pikir lebar pulsa bisa sedikit menyesatkan. Parameter penting adalah daya puncak, yang merupakan jumlah energi yang dikirimkan dalam femtodetik pendek. Semakin tinggi puncaknya daya untuk pulsa femtosecond pendek yang diberikan, semakin banyak material yang terkelupas dengan dampak termal yang lebih sedikit."
Perlakuan panas yang dikurangi sangat penting untuk bahan yang sensitif terhadap suhu atau mekanis seperti Nitinol, polimer, bahan yang disuntikkan obat, atau dielektrik tipis.
Energi pulsa dan daya rata-rata laser serat ultracepat dibatasi oleh ambang kerusakan serat. Struktur amplifikasi seperti amplifier pelat dan disk dapat menghasilkan energi pulsa yang lebih tinggi dan daya rata-rata. Tapi mereka juga hadir dengan tapak yang lebih besar, biaya lebih tinggi, dan persyaratan pendinginan yang lebih ketat.
Daya rata-rata dan tingkat pengulangan menentukan energi pulsa maksimum yang dapat dicapai dengan pulsa laser tunggal. Untuk sebagian besar aplikasi pemrosesan material, energi pulsa optimal bergantung pada apa yang disebut ambang ablasi.
Ambang batas bervariasi dari satu bahan ke bahan lainnya, tetapi begitu energi pulsa melebihi ambang ablasi bahan, prosesnya menjadi jenuh. Intinya, plasma yang dibuat selama proses ablasi menyerap pulsa berikutnya, yang meningkatkan panas dan mengurangi efisiensi pemrosesan.
"Untuk ablasi sebagian besar bahan, energi pulsa tipikal saat menggunakan pulsa femtosecond adalah antara {{0}}.02 dan 0,2 mJ." kata George.
Kepadatan daya yang sangat tinggi dari pulsa laser femtosecond juga menginduksi penyerapan dua atau multi-foton dalam materi, menghasilkan struktur tiga dimensi dengan resolusi halus di luar batas difraksi optik. Berbeda dengan teknik fabrikasi mikro/nano tradisional, pemrosesan laser femtosecond menawarkan ukuran fitur skala nano dan kemampuan arsitektur tiga dimensi.
Jumlah energi cahaya yang ditransmisikan per satuan luas (disebut laser fluence) menentukan efisiensi laju ablasi (mm3/min/W). Untuk sebagian besar material, nilai peak fluence optimal yang menggabungkan kualitas pemrosesan tertinggi dengan penggunaan energi cahaya yang paling efisien adalah sekitar 1 J/cm2.
Jim Bovatsek, Senior Applications Engineering Manager di MKS Spectra-Physics, mengatakan, "Fluks di bawah puncak menghasilkan penurunan efisiensi yang tajam, sedangkan fluks yang lebih tinggi menghasilkan penurunan efisiensi secara bertahap." Ini memungkinkan throughput yang lebih tinggi dengan menjalankan pada tingkat pengulangan yang lebih tinggi, yang menghasilkan daya rata-rata yang lebih tinggi.
Namun, pada titik tertentu, peralatan gerak/pemindaian tambahan tidak bergerak cukup cepat, atau kemampuan material untuk menghilangkan sisa energi panas tidak mencukupi, atau keduanya, dan hasilnya adalah zona yang terpengaruh panas yang kurang ideal.
Untuk bahan pemotongan seperti nitinol, frekuensi pengulangan laser dan energi pulsa masing-masing 100 kHz dan ~80 µJ, tampaknya menjadi batas atas sebelum zona yang terpengaruh panas (HAZ) mulai terbentuk, sedangkan frekuensi pulsa lebih besar dari 2 MHz dengan daya lebih besar dari 100 W dapat digunakan untuk memotong film polimer seperti polietilen tereftalat dan polimida, kata Bovatsek.
Aplikasi 2: Menandai bagian medis
Laser femtosecond dapat menjadi solusi teknis yang ideal untuk menandai perangkat medis yang dapat digunakan kembali jika volume produksi mengimbangi harga laser.
Ada aplikasi yang berkembang untuk menandai perangkat medis dengan barcode 2D permanen dalam warna hitam atau gelap, yang dapat digunakan untuk mendaftarkan alat ini dan melacak saat dibersihkan.
Biasanya, menandai item ini memerlukan penggunaan laser berdenyut nanodetik dengan biaya lebih rendah. Penanda ini diperlakukan secara kimia agar tahan korosi. Namun, laser femtosecond menghasilkan tanda yang tak terhapuskan yang tidak menimbulkan korosi dan teroksidasi dari waktu ke waktu, sehingga langkah perawatan kimia tambahan mungkin tidak diperlukan.
Pemrosesan logam dengan laser picosecond atau femtosecond menghasilkan struktur periodik kecil pada skala nano yang muncul sebagai tanda hitam kontras tinggi," kata George di Tonson. Tanda hitam ini tidak bergantung pada sudut pandang dan menunjukkan kontras hitam pada setiap sudut pandang."
Penelitian berlanjut apakah pulsa femtosecond dapat mencapai kualitas penanda yang lebih baik daripada pulsa picosecond. Namun, tingkat pengulangan yang lebih tinggi memungkinkan pemindaian lebih cepat sehingga waktu siklus lebih singkat. Oleh karena itu, aplikasi penandaan medis harus mempertimbangkan keseimbangan antara kecepatan dan kualitas.
Dalam tanda hitam, energi pulsa rendah (<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."
Aplikasi 3: Pengelasan dan pemotongan
Memproses bahan rapuh seperti kaca adalah pasar industri lain yang sedang berkembang untuk laser femtosecond.
Menurut Antonio Castelo, manajer teknologi fotonik di Konsorsium Industri Fotonik Eropa (EPIC), pemrosesan kaca membutuhkan kombinasi panjang gelombang dan energi pulsa yang akurat. Kegagalan untuk menggunakan parameter yang benar sering kali menghasilkan langkah pemolesan tambahan yang ditambahkan pada akhir proses.
Castelo mengatakan, "Beberapa proses yang digunakan untuk kaca dan bahan polimer mungkin memerlukan panjang gelombang yang berbeda dalam inframerah dekat dan menengah, dan rangkaian solusi lengkap sekarang tersedia dalam 2- dan 3-mikron."
Pemotongan dan pengelasan kaca atau plastik rapuh bening membutuhkan optik khusus untuk mencapai profil pulsa tertentu yang dikenal sebagai balok Bessel. Sinar ini menciptakan serangkaian fokus linier pada bahan yang sedang diproses, mirip dengan pisau laser tipis yang dapat mengubah bahan dalam sekali jalan.
Ketebalan maksimum yang dapat diproses dibatasi oleh energi pulsa. Semakin tebal bahannya, semakin tinggi energi pulsa yang dibutuhkan.
Untuk pengelasan kaca, energi pulsa berkisar dari {{0}}.01 mJ hingga 0,04 mJ, bergantung pada jenis bahannya, dan untuk pemotongan kaca, energi pulsa dari 0,1 mJ hingga 2 mJ dapat digunakan, tergantung pada ketebalan sampel yang akan diproses," kata Huerta-Murillo dari ThruPoint. Pemotongan laser pelat kaca hingga setebal 12 mm telah direalisasikan di Thomson Application Laboratory."
Durasi pulsa adalah faktor penting lainnya dalam pemrosesan kaca. Misalnya, pemotongan kaca bening dapat dilakukan dengan pulsa picosecond. Namun untuk mengelas kaca bening, pulsa femtosecond lebih berguna karena mencapai daya puncak yang lebih tinggi, yang menyebabkan kaca meleleh di area lokal tertentu.
Aplikasi 4: Mikroskop multifoton
Pulsa Femtosecond sangat cocok untuk menginduksi aplikasi multifoton yang berharga untuk aplikasi pencitraan biologis dan ilmiah seperti mikroskop nonlinier, optogenetika dua foton, dan pencitraan tiga foton.
Pengguna akhir utama di pasar ini adalah ahli biologi dan ahli saraf dengan latar belakang optik terbatas. Menambahkan fungsionalitas untuk menyederhanakan alat laser sangat menarik bagi pengguna akhir ini.
Itu selalu kembali ke nilai tambah bagi pengguna, paling sering dalam hal kemudahan penggunaan dan kegunaan, "kata Arrigoni dari Coherent. Pengguna di lab pencitraan inti, yang sering berputar dan tidak berpengalaman, dapat mengambil manfaat dari rangkaian lengkap turnkey kinerja dan siap menerima dua kali lipat harga sistem laser turnkey."
Sekitar 80 persen aplikasi ilmiah untuk laser ultrafast diwujudkan dengan laser turnkey, yang memiliki daya rata-rata 10 W, frekuensi pulsa antara 1 kHz dan 10 MHz, lebar pulsa yang dapat disesuaikan antara 20 fs dan 200 fs, dan panjang gelombang yang dapat diatur antara 200 nm dan 1,000 nm.
Untuk laser femtosecond yang menargetkan fenomena multifoton dalam aplikasi ilmu kehidupan, energi pulsa atau daya puncak biasanya merupakan faktor terpenting, kata Wolfring. Untuk mendapatkan hasil yang baik, parameter ini harus dijaga dalam kisaran tertentu. Jika daya terlalu rendah, efisiensi proses dua foton mungkin tidak cukup untuk menghasilkan gambar mikroskopis dengan kontras yang baik. Jika parameternya terlalu tinggi, gambar mikroskop mungkin menunjukkan sampel jaringan yang terbakar.
Secara umum, aplikasi pencitraan multifoton memerlukan laser untuk menghasilkan puluhan hingga ratusan nanojoule energi antara frekuensi pulsa 1 dan 100 MHz untuk mendukung pemindaian gambar cepat dan menghindari kerusakan pada sampel biologis.
Pada prinsipnya, semakin pendek pulsanya, semakin tinggi efek nonlinearnya, tetapi mempertahankan lebar pulsa yang pendek saat merambat melalui sistem optik merupakan faktor penting; parameter seperti dispersi dan efek kompensasi menjadi penting.
Bagaimana menyeimbangkan cita-cita dengan kenyataan?
Dari spektroskopi hingga komputasi fotonik, laser ultracepat masih menemukan bidang aplikasi baru.
Pelanggan di bidang ini menuntut fleksibilitas dan tunability dari laser mereka, tetapi masa pakai sumber ultrafast belum sesuai dengan ukuran pasar. menurut Florian Emaury, CEO Menhir Photonics, pertukaran untuk mengirimkan produk ke pasar negara berkembang ini merupakan tantangan yang layak untuk dihadapi.
Rancangan sistem laser ultra cepat untuk pasar ini harus menyeimbangkan kebutuhan pelanggan dengan hasil yang masuk akal dalam hal keandalan dan kemampuan manufaktur. Membangun sistem turnkey yang kuat memerlukan langkah-langkah iteratif - dimulai dengan menentukan spesifikasi minimum yang diperlukan untuk aplikasi yang diinginkan.
Emaury mengatakan bahwa persyaratan pelanggan selalu masuk akal untuk apa yang mereka butuhkan, tetapi pelanggan jarang mempertimbangkan apa yang mereka inginkan dalam hal keandalan dan pengulangan untuk sistem yang mereka butuhkan. Mempertimbangkan biaya kepemilikan laser selama bertahun-tahun adalah kuncinya.
Kemajuan masa depan?
Laser ultracepat menjadi lebih ringkas, selain lebih mudah digunakan dan harga lebih bersaing. Sistem berbasis serat memungkinkan pengiriman sinar yang lebih fleksibel, yang memungkinkan integrasi yang mudah ke dalam jalur produksi yang sempit, sistem mikroskop, atau lingkungan medis.
Jejak kaki yang lebih kecil juga memungkinkan laser ultrafast dipasang di perangkat yang lebih kecil, seperti arsitektur komputasi fotonik, di mana presisi pulsa ultrashort memungkinkan mikroprosesor fotonik melakukan perhitungan lebih cepat dengan lebih sedikit energi.
Emaury berkata, "Kami melihat ini sebagai pasar dengan permintaan yang sangat tinggi, dan kami berencana untuk memproduksi ratusan ribu, bahkan jutaan, laser per tahun." Tentu saja, untuk saat ini laser ini akan lebih kecil dari ukuran ponsel, tetapi akan menjadi komponen inti dari komputer kelas atas mana pun."
Laser yang dikhususkan untuk komputasi fotonik perlu memberikan tingkat pengulangan tingkat gigahertz dan waktu yang tepat untuk setiap pulsa dalam jendela 10fs.
Meskipun ini dan pasar lain mungkin memerlukan parameter kompleks yang belum memungkinkan dengan laser saat ini, kemajuan terbaru mereka memicu perkembangan baru.
Saat laser ultracepat berevolusi, kinerja yang lebih kuat dan serbaguna dalam hal tingkat pengulangan, panjang gelombang, dan durasi pulsa pasti akan menyebabkan terobosan besar dalam perluasan aplikasinya. Tapi tampaknya ada semacam saling memberi dan menerima antara bagaimana teknologi mendorong pasar.
"Pengembangan laser serat dalam beberapa tahun terakhir telah menunjukkan bahwa panjang gelombang laser baru dan tingkat daya baru, yang dapat dicapai melalui konsep baru seperti amplifikasi pulsa berkicau, memberikan dorongan teknologi penting bagi laser serat untuk memasuki pasar utama saat ini." kata Wolfring. Diterjemahkan dengan www.DeepL.com/Translator (versi gratis)
