펨토초 레이저와 같은 극초단 펄스 레이저는 점점 더 광범위한 산업 및 생물 의학 응용 분야에 적합한 사용하기 쉬운 플러그 앤 플레이 장치가 되고 있습니다. , 냉각수를 정기적으로 유지 관리하고 레이저 매개변수를 지속적으로 최적화합니다.
오늘날 입증된 광자 결정 섬유 증폭 기술과 처프 펄스 증폭 아키텍처를 사용하는 고체 및 광섬유 플랫폼은 작고 안정적이며 저렴한 펨토초 레이저를 생산했습니다.
오늘날의 초단파 소스에서 레이저 캐비티는 가스가 새지 않으며 더 큰 디스크 또는 플레이트 증폭 캐비티는 환경으로부터 보다 효과적으로 격리되도록 둘러싸여 있습니다. 즉, 최신 초고속 레이저는 더 이상 현장에서 수동으로 보정할 필요가 없으며 온도 또는 습도 변화의 영향을 덜 받습니다.
TRUMPF 제품 매니저인 Heather George는 "수십년 전에는 초고속 레이저 옆에서 세게 재채기를 하면 레이저가 잘못 정렬되거나 모드 잠금이 해제될 수 있었습니다."라고 말했습니다. 레이저는 산업용 초고속 레이저를 가능하게 했습니다."
완벽한 펨토초 레이저 소스는 이제 다양한 가격대와 유연한 펄스 지속 시간, 펄스 에너지, 평균 출력 및 빔 매개변수로 제공됩니다.
이러한 시스템의 대부분은 평균 전력, 펄스당 에너지 및 반복 속도를 제어할 수 있는 원치 않는 그룹 속도 분산 또는 통합 음향 광학 변조기에 대한 자동 사전 보상과 같은 기능을 통합하여 더 나아갑니다.
"자연적인 구성 요소 노후화와 관련된 사소하고 느린 성능 저하를 제외하고 완전한 레이저는 사용자가 주기적인 조정이나 재최적화를 필요로 하지 않으며 가동 시간을 최대화하기 위해 원격으로 진단하고 원격 서비스 개입을 제공해야 합니다." Coherent Corp.의 마케팅 이사인 Marco Arrigoni는 말했습니다.
사용자 친화적인 초고속 시스템의 가용성이 점점 높아지고 있지만 이러한 레이저의 매개변수를 더 잘 이해하면 처리량, 품질 및 응용 효율성을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다. 파이버 기반 초고속 레이저는 유지 보수가 거의 없이 수년간 작동할 수 있으며 상대적으로 저렴합니다. 출력 전력이 10W 미만이고 반복 주파수가 80~100MHz이고 펄스 에너지가 10~20nJ인 일반적인 펨토초 파이버 레이저는 약 $50000로 이전 제품 가격의 약 절반입니다.
그러나 평균 전력/펄스 에너지가 증가함에 따라 비용도 증가합니다. 현재의 초고속 레이저는 평균 출력이 10 ~ 200W, 펄스 폭이 300fs 미만, 펄스 에너지가 0.1 ~ 2mJ, 버스트 에너지가 8mJ입니다. 이 레이저의 가격은 $80000에서 $100000 범위입니다.
TOPTICA Photonics AG의 초고속 레이저 제품 관리자인 Bernhard Wolfring은 설계 솔루션이 비용 대비 필요한 레이저 도구의 물리적 특성을 고려해야 한다고 말합니다. "필요한 최소 전력으로는 비용을 특정 수준 이하로 줄일 수 없습니다."라고 그는 말합니다. "반면에 최대 전력 요구 사항은 비용 및 기능 측면에서 시스템의 과도한 크기를 피하는 데 도움이 됩니다. 그 결과는 일반적으로 특수 레이저 시스템에 대한 설계와 비용, 설계와 매개 변수 간의 최적 균형입니다."
응용 프로그램 1: 재료 가공
펨토초 레이저는 평판 디스플레이용 호일 절단, 의료용 스캐폴드 미세 가공 및 웨이퍼 스크라이빙과 같은 광범위한 재료 가공 응용 분야에서 계속해서 사용되고 있습니다.
펨토초 펄스는 부분적으로 펨토초 펄스가 열 영향부(HAZ) 또는 처리 영역 주변의 파편과 같은 열적 결함의 영향을 최소화하기 때문에 마이크로머시닝 애플리케이션에서 피코초 또는 나노초 펄스에 비해 더 나은 품질을 제공합니다. 이러한 이점에 대한 결론이 있다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 대부분의 재료에서 350fs보다 짧은 펄스는 가공 효율성을 향상시키지 않으며 더 비싼 광학 장치가 필요할 수 있습니다. 또한 펄스 폭 자체는 문제의 일부일 뿐입니다.
NKT Photonics의 초고속 레이저 전략 마케팅 이사인 Hui Imam은 "우리는 펄스 폭이 약간 오해의 소지가 있다고 생각합니다. 중요한 매개변수는 짧은 펨토초에 전달되는 에너지의 양인 피크 전력입니다. 피크가 높을수록 주어진 짧은 펨토초 펄스에 대한 전력은 더 적은 열 충격으로 더 많은 재료가 제거됩니다."
감소된 열 처리는 나이티놀, 폴리머, 약물 주입 재료 또는 얇은 유전체와 같은 온도 또는 기계적으로 민감한 재료에 중요합니다.
초고속 파이버 레이저의 펄스 에너지 및 평균 출력은 파이버 손상 임계값에 의해 제한됩니다. 플레이트 및 디스크 증폭기와 같은 증폭 구조는 더 높은 펄스 에너지와 평균 출력을 생성할 수 있습니다. 그러나 그들은 또한 더 큰 설치 공간, 더 높은 비용 및 더 엄격한 냉각 요구 사항을 제공합니다.
평균 파워와 반복률은 단일 레이저 펄스로 달성할 수 있는 최대 펄스 에너지를 결정합니다. 대부분의 재료 가공 응용 분야에서 최적의 펄스 에너지는 소위 절제 임계값에 따라 달라집니다.
임계값은 재료마다 다르지만 펄스 에너지가 재료의 절제 임계값을 초과하면 프로세스가 포화 상태가 됩니다. 본질적으로 절제 공정 중에 생성된 플라즈마는 후속 펄스를 흡수하여 열을 증가시키고 공정 효율성을 감소시킵니다.
"대부분의 재료 절제의 경우 펨토초 펄스를 사용할 때 일반적인 펄스 에너지는 {{0}}.02에서 0.2mJ 사이입니다." 조지가 말했다.
펨토초 레이저 펄스의 매우 높은 전력 밀도는 또한 재료에서 2광자 또는 다광자 흡수를 유도하여 광학 회절의 한계를 넘어서는 미세한 분해능을 가진 3차원 구조를 생성합니다. 기존의 마이크로/나노 제조 기술과 달리 펨토초 레이저 가공은 나노 크기의 피처 크기와 3차원 구조 기능을 모두 제공합니다.
단위 면적당 전송되는 빛 에너지의 양(레이저 플루언스라고 함)은 절제율 효율(mm3/min/W)을 결정합니다. 대부분의 재료에서 최고의 가공 품질과 가장 효율적인 빛 에너지 사용을 결합한 최적의 피크 플루언스 값은 약 1J/cm2입니다.
MKS Spectra-Physics의 수석 애플리케이션 엔지니어링 관리자인 Jim Bovatsek은 "피크 이하의 플럭스는 효율성이 급격히 떨어지는 반면, 플럭스가 높으면 효율성이 점진적으로 감소합니다."라고 말합니다. 이를 통해 더 높은 반복률로 실행하여 더 높은 처리량을 얻을 수 있으며 결과적으로 평균 전력이 더 높아집니다.
그러나 어느 시점에서 보조 모션/스캐닝 장비가 충분히 빠르게 움직이지 않거나 재료의 잔여 열 에너지 소산 능력이 불충분하거나 둘 다 발생하여 열 영향 영역이 이상적이지 않습니다.
니티놀과 같은 절단 재료의 경우 열영향부(HAZ)가 형성되기 전에 레이저 반복 주파수와 펄스 에너지가 각각 100kHz 및 ~80µJ인 상한선인 반면, 펄스 주파수는 100W 이상의 출력을 가진 2MHz는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리이미드와 같은 폴리머 필름을 절단하는 데 사용될 수 있다고 Bovatsek은 말했습니다.
적용 2: 의료 부품 마킹
펨토초 레이저는 생산량이 레이저 가격을 보상하는 경우 재사용 가능한 의료 기기를 마킹하기 위한 이상적인 기술 솔루션이 될 수 있습니다.
검은색 또는 어두운 색상의 영구적인 2D 바코드로 의료 기기를 표시하는 애플리케이션이 증가하고 있으며, 이러한 도구를 등록하고 세척 시기를 추적하는 데 사용할 수 있습니다.
일반적으로 이러한 항목을 마킹하려면 더 저렴한 나노초 펄스 레이저를 사용해야 합니다. 이 마커는 부식 방지를 위해 화학적으로 처리됩니다. 그러나 펨토초 레이저는 시간이 지나도 부식 및 산화되지 않는 지워지지 않는 마크를 생성하므로 추가 화학 처리 단계가 필요하지 않을 수 있습니다.
피코초 또는 펨토초 레이저로 금속을 가공하면 고대비 블랙 마킹으로 나타나는 나노스케일의 작은 주기적 구조가 생성됩니다."라고 Tonson의 George는 말합니다. 이러한 블랙 마킹은 시야각과 무관하며 모든 시야각에서 블랙 대비를 나타냅니다.
펨토초 펄스가 피코초 펄스보다 더 나은 마커 품질을 달성할 수 있는지에 대한 연구가 계속되고 있습니다. 그러나 반복률이 높을수록 스캐닝 속도가 빨라지고 사이클 시간이 짧아집니다. 따라서 의료 마킹 애플리케이션은 속도와 품질 사이의 균형을 고려해야 합니다.
블랙 마킹에서 낮은 펄스 에너지(<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."
응용 3: 용접 및 절단
유리와 같은 부서지기 쉬운 재료를 가공하는 것은 펨토초 레이저의 또 다른 신흥 산업 시장입니다.
EPIC(European Photonics Industry Consortium)의 포토닉스 기술 관리자인 Antonio Castelo에 따르면 유리 가공에는 파장과 펄스 에너지의 정확한 조합이 필요합니다. 올바른 매개변수를 사용하지 않으면 프로세스 마지막에 추가 연마 단계가 추가되는 경우가 많습니다.
Castelo는 "유리 및 폴리머 재료에 사용되는 일부 공정은 근적외선과 중적외선에서 서로 다른 파장을 필요로 할 수 있으며 현재 2- 및 3-미크론에서 전체 범위의 솔루션을 사용할 수 있습니다."라고 말했습니다.
유리 또는 투명 취성 플라스틱의 절단 및 용접에는 베셀 빔으로 알려진 특정 펄스 프로파일을 달성하기 위한 특수 광학 장치가 필요합니다. 이 빔은 단일 패스로 재료를 수정할 수 있는 얇은 레이저 나이프와 유사하게 가공 중인 재료에 일련의 선형 초점을 생성합니다.
처리할 수 있는 최대 두께는 펄스 에너지에 의해 제한됩니다. 재료가 두꺼울수록 더 높은 펄스 에너지가 필요합니다.
유리 용접의 경우 펄스 에너지 범위는 {{0}}.0재료 유형에 따라 1mJ ~ 0.04mJ이며, 유리 절단의 경우 펄스 에너지 범위는 0.1mJ ~ 2 처리할 샘플의 두께에 따라 mJ를 사용할 수 있습니다."라고 ThruPoint의 Huerta-Murillo는 말합니다. 최대 12mm 두께의 유리판 레이저 절단은 Thomson 응용 연구소에서 이미 실현되었습니다."
펄스 지속 시간은 유리 가공에서 또 다른 중요한 요소입니다. 예를 들어 투명 유리 절단은 피코초 펄스로 수행할 수 있습니다. 그러나 투명 유리 용접의 경우 펨토초 펄스가 더 높은 피크 전력을 달성하여 특정 국부 영역에서 유리를 녹이기 때문에 더 유용합니다.
응용 4: 다광자 현미경
펨토초 펄스는 비선형 현미경, 2광자 광유전학 및 3광자 이미징과 같은 생물학적 및 과학적 이미징 응용 분야에 유용한 다광자 응용 프로그램을 유도하는 데 특히 적합합니다.
이 시장의 주요 최종 사용자는 광학적 배경이 제한된 생물학자와 신경과학자입니다. 레이저 도구를 단순화하는 기능을 추가하는 것은 이러한 최종 사용자에게 특히 매력적입니다.
Coherent의 Arrigoni는 대부분의 경우 사용 편의성과 유용성 측면에서 사용자를 위한 부가 가치로 돌아옵니다. 자주 교체되고 경험이 없는 핵심 이미징 실험실의 사용자는 완전한 턴키 제품군의 이점을 누릴 수 있습니다. 턴키 레이저 시스템 가격의 두 배를 쉽게 수용할 수 있습니다."
초고속 레이저에 대한 과학적 응용 프로그램의 약 80%는 턴키 레이저로 실현되며 평균 전력은 10W, 펄스 주파수는 1kHz ~ 10MHz, 펄스 폭은 20fs ~ 200fs 사이에서 조정 가능하고 파장은 200nm 및 1,000nm.
생명 과학 응용 분야에서 다광자 현상을 목표로 하는 펨토초 레이저의 경우 펄스 에너지 또는 피크 전력이 일반적으로 가장 중요한 요소라고 Wolfring은 말했습니다. 좋은 결과를 얻으려면 이러한 매개 변수를 특정 범위 내에서 유지해야 합니다. 전력이 너무 낮으면 2광자 프로세스의 효율성이 콘트라스트가 좋은 미세한 이미지를 생성하기에 충분하지 않을 수 있습니다. 매개변수가 너무 높으면 현미경 이미지에 탄 조직 샘플이 표시될 수 있습니다.
일반적으로 다광자 이미징 응용 분야는 빠른 이미지 스캐닝을 지원하고 생물학적 샘플의 손상을 방지하기 위해 1~100MHz 펄스 주파수 사이에서 수십에서 수백 나노줄의 에너지를 출력하는 레이저가 필요합니다.
원칙적으로 펄스가 짧을수록 비선형 효과가 높아지지만 광학 시스템을 통해 전파되는 동안 짧은 펄스 폭을 유지하는 것이 중요한 요소입니다. 분산 및 보상 효과와 같은 매개변수가 중요해집니다.
이상과 현실의 균형을 맞추는 방법은 무엇입니까?
분광학에서 포토닉스 컴퓨팅에 이르기까지 초고속 레이저는 여전히 새로운 응용 분야를 찾고 있습니다.
이 분야의 고객은 레이저의 유연성과 조정 가능성을 요구하지만 초고속 소스의 수명은 아직 시장 규모와 일치하지 않습니다. Menhir Photonics의 CEO인 Florian Emaury에 따르면 이러한 신흥 시장에 제품을 제공하기 위한 절충안은 해결할 가치가 있는 도전 과제입니다.
이러한 시장을 위한 초고속 레이저 시스템의 설계는 고객의 요구 사항과 신뢰성 및 제조 가능성 측면에서 합리적인 산출물의 균형을 맞춰야 합니다. 강력한 턴키 시스템을 구축하려면 원하는 애플리케이션에 필요한 최소 사양을 결정하는 것부터 시작하여 반복적인 단계가 필요합니다.
Emaury는 고객 요구 사항이 필요한 것에 대해 항상 합리적이라고 말하지만 고객은 필요한 시스템의 안정성과 반복성 측면에서 원하는 것을 거의 고려하지 않습니다. 수년에 걸친 레이저 소유 비용을 고려하는 것이 핵심입니다.
향후 진행?
초고속 레이저는 사용하기 쉽고 가격 경쟁력이 높을 뿐만 아니라 더욱 소형화되고 있습니다. 섬유 기반 시스템은 보다 유연한 빔 전달을 허용하므로 좁은 생산 라인, 현미경 시스템 또는 의료 환경에 쉽게 통합할 수 있습니다.
더 작은 공간은 초고속 레이저가 초단파 펄스의 정밀도로 인해 더 적은 에너지로 더 빠르게 계산을 수행할 수 있는 광 컴퓨팅 아키텍처와 같은 더 작은 장치에 설치될 수 있게 합니다.
Emaury는 "우리는 이 시장을 수요가 매우 높은 시장으로 보고 연간 수백만 대는 아니더라도 수십만 대의 레이저를 생산할 계획입니다."라고 말합니다. 물론 지금은 이 레이저가 휴대 전화 크기보다 작을 것이지만 고급형 컴퓨터의 핵심 구성 요소가 될 것입니다."
포토닉 컴퓨팅에 특화된 레이저는 기가헤르츠 수준의 반복 속도를 제공하고 10fs 창 내에서 각 펄스의 정확한 시간을 측정해야 합니다.
이 시장과 다른 시장은 오늘날의 레이저로는 아직 불가능한 복잡한 매개변수를 요구할 수 있지만, 최근 레이저의 발전은 새로운 개발에 박차를 가하고 있습니다.
초고속 레이저가 발전함에 따라 반복 속도, 파장 및 펄스 지속 시간 측면에서 보다 강력하고 다양한 성능이 적용 분야 확장에 큰 단절을 가져올 수밖에 없습니다. 그러나 기술이 시장을 주도하는 방식 사이에는 일종의 상호 주고받기가 있는 것 같습니다.
"최근 몇 년간 파이버 레이저의 개발은 처프 펄스 증폭과 같은 새로운 개념을 통해 달성할 수 있는 새로운 레이저 파장과 새로운 출력 수준이 파이버 레이저가 현재 주요 시장에 진입하는 데 중요한 기술적 추진력을 제공한다는 것을 보여주었습니다." 볼프링이 말했다. www.DeepL.com/Translator로 번역됨(무료 버전)
