Пико- и фемтосекундные лазеры

Сегодня быстрорасширяющийся спектр новых передовых приложений требует сверхкороткой длительности импульсов в диапазоне от 10^-11 до 10^-13 с. Лазеры, работающие в диапазоне длительностей импульсов от пико- до фемтосекунд, известные также как сверхбыстрые лазеры, обычно изготавливают методом усиления ЛЧМ-импульса. Пико- и фемтосекундные волоконные лазеры IPG на базе архитектуры, задающей генератор/волоконный усилитель мощности (MOFPA),

в частности, удобно использовать для генерирования сверхбыстрых импульсов в диапазоне частот повторения от 10 кГц до нескольких МГц с энергией импульса от нескольких микроджоулей до ~1 мДж. Благодаря нелинейным гармоникам можно генерировать импульсы видимого и УФ-диапазонов. Такие характеристики идеально подходят для механической микрообработки и многих других задач.

Сверхбыстрые лазеры в последние годы стали очень популярными в разных областях исследований, в медицинских процедурах и механической микрообработке/обработке микроматериалов. С точки зрения взаимодействия с материалом термин «сверхбыстрый» обычно означает нетепловой режим поглощения энергии. Нетепловой режим поглощения важен, поскольку он ведет к снижению теплового разрушения материала, позволяет обрабатывать более мелкие элементы, обеспечивает лучший контроль и более точную микрообработку.

При использовании сверхбыстрых лазеров за смещение поглощения от теплового к нетепловому режиму в основном отвечают два механизма.

1.      Очень высокая мгновенная пиковая мощность (в диапазоне многих МВт) вызывает одновременное поглощение нескольких фотонов, что энергетически эквивалентно

поглощению видимого или УФ-фотона. Если сравнивать с ИК-лазерами, было известно, что поглощение УФ-импульсов с меньшей длиной волны менее тепловое, чем даже в наносекундном режиме, что ведет к холодной абляции, а не к плавлению и испарению металла. Сверхбыстрые пико- и фемтосекундные импульсные лазеры могут достигать результатов, сравнимых с ИК- или зеленым светом, без необходимости генерировать УФ-свет.

2.      Длительность импульса становится короче постоянной времени колебательной релаксации в материале. Когда энергия накапливается быстрее, чем рассеивается по материалу от точки воздействия, холодное многофотонное поглощение становится более эффективным и рассеяние тепла сокращается. В противоположность наносекундным лазерам в этом режиме повышение энергии импульса приводит к повышению производительности (более высокой скорости удаления материала), а не к дополнительному нагреву материала.

CПродолжающаяся в электронной и полупроводниковой отраслях тенденция к миниатюризации требует обработки все меньших и меньших элементов с высокой воспроизводимостью, точностью, прецизионностью и производительностью из все более широкого списка материалов. Это подпитывает растущий спрос на сверхбыстрые лазеры, отдающий им предпочтение перед наносекундными импульсными лазерами, несмотря на их более высокую стоимость на ватт мощности. Однако до того, как IPG представила свою линейку сверхбыстрых лазеров, существовал большой простор для их усовершенствования в плане сложности конструкции, простоты использования, гибкости, размеров корпуса, устойчивости и надежности.

Пользуясь своим наработанным опытом в области технологии импульсных волоконных лазеров, IPG Photonics разработала серию сверхбыстрых волоконных лазеров, предназначенных для прецизионной обработки микроматериалов. Волоконно-лазерные источники накачки и компоненты волоконных лазеров от IPG используют присущие волоконно-лазерной технологии преимущества, позволяющие производить самые устойчивые и экономически эффективные лазерные инструменты, оптимизированные для промышленного применения. Предполагается, что этот ряд лазеров существенно расширит применение микрообработки с помощью сверхбыстрых импульсных лазеров в отрасли, устранив стоимостные барьеры на пути к приобретению и повысив надежность.

В режиме обработки сверхбыстрыми импульсными лазерами можно достичь минимального теплового разрушения соседних (необрабатываемых) областей при эффективной скорости удаления материала, применив лазеры со следующей комбинацией параметров:

• повышенная плотность потока (Вт/см2) за счет использования более коротких импульсов с большей пиковой мощностью;
• повышенная плотность потока за счет более сфокусированного луча (М2 ниже);
• повышенное качество луча и поглощение за счет использования меньших длин волн;
• повышенная энергия импульса или частота повторения импульсов; это повышает производительность за счет повышения средней мощности лазера;
• повышенная стабильность наведения для устойчивой обработки.

Оптические параметры и технологическую скорость необходимо тщательно настраивать, чтобы оптимизировать их для конкретной задачи микрообработки. 

В противном случае достичь ожидаемых высококачественных результатов и/или производительности не удастся.

Благодаря всем перечисленным выше усовершенствованиям лазеры и лазерные системы IPG способны обрабатывать материал экономически эффективно, с минимальным тепловым разрушением и с большой производительностью. Модели пико- и фемтосекундных импульсных волоконных лазеров от IPG охватывают широчайший диапазон продуктов всех длин волн, уровней мощности и длительностей импульсов.

Выбор лазера для коммерческого приложения обработки микроматериалов — это согласование нескольких целей:

• приемлемого качества работы;
• высокой производительности;
• простоты эксплуатации;
• минимальной стоимости оборудования и стоимости владения.

Если несколько лазеров с различными длинами волн, средней мощностью и длительностью импульса могут обеспечить сравнительно приемлемое качество обработки, обычно предпочитают использовать 1-микронный лазер с самой большой длительностью импульса и наивысшей средней мощностью, потому что он обеспечивает максимальную производительность по наименьшей стоимости. Однако, если речь идет о воде или профиле поглощения какого-нибудь неметалла/полимера, предпочтительными могут оказаться эрбиевые или тулиевые сверхбыстрые лазеры.