フェムト秒レーザーなどの超短パルスレーザーは、幅広い産業用途や生物医学用途に適した使いやすいプラグアンドプレイデバイスになりつつあります。15 年前、これらのレーザーは大型のメインフレームであり、光学系の毎日のクリーニングが必要でした。 、冷却水の定期的なメンテナンス、およびレーザーパラメータの継続的な最適化。
現在、実証済みのフォトニック結晶ファイバー増幅技術とチャープパルス増幅アーキテクチャを使用したソリッドステートおよび光ファイバープラットフォームにより、コンパクトで信頼性が高く、低コストのフェムト秒レーザーが製造されています。
今日の超短波源では、レーザーキャビティは気密であり、より大きなディスクまたはプレート増幅キャビティも環境からより効果的に隔離するために密閉されています。 これは、最新の超高速レーザーが現場で手動で校正する必要がなくなり、温度や湿度の変化による影響が少なくなったことを意味します。
TRUMPF製品マネージャーのヘザー・ジョージ氏は、「数十年前、超高速レーザーの隣で激しくくしゃみをすると、レーザーの位置がずれたり、モードロックが失われる可能性がありました。アクティブモードロックシードレーザーではなく、パッシブモードロックシードレーザーの登場により、レーザーにより、産業用超高速レーザーが可能になりました。」
現在、完全なフェムト秒レーザー源がさまざまな価格帯で入手可能であり、柔軟なパルス持続時間、パルスエネルギー、平均パワー、ビームパラメーターも提供されています。
これらのシステムの多くは、不要な群速度分散の自動事前補償や統合された音響光学変調器などの機能を統合することでさらに進化しており、平均パワー、パルスあたりのエネルギー、繰り返しレートの制御が可能です。
「コンポーネントの自然な経年劣化に伴うわずかなゆっくりとしたパフォーマンスの低下を除けば、完成したレーザーはユーザーによる定期的な調整や再最適化を必要とせず、稼働時間を最大化するためにリモートで診断し、リモート サービス介入を提供する必要があります。」 コヒレント社のマーケティング担当ディレクター、マルコ・アリゴーニ氏はこう語る。
ユーザーフレンドリーな超高速システムがますます利用可能になってきていますが、これらのレーザーのパラメータをより深く理解することは、スループット、品質、アプリケーション効率の向上に役立ちます。 ファイバーベースの超高速レーザーは、ほとんどメンテナンスなしで何年も動作でき、比較的手頃な価格です。 出力が 10 W 未満、繰り返し周波数が 80 ～ 100 MHz、パルス エネルギーが 10 ～ 20 nJ の一般的なフェムト秒ファイバー レーザーの価格は約 50 ドルです000。これは以前の製品の約半額です。
ただし、平均パワー/パルスエネルギーが増加するにつれてコストも増加します。 現在の超高速レーザーの平均出力は 10 ～ 200 W、パルス幅は 300 fs 未満、パルス エネルギーは 0.1 ～ 2 mJ、バースト エネルギーは 8 mJ です。 これらのレーザーの価格は、80 ドル 000 から 100 ドル 000 の範囲です。
TOPTICA Photonics AG の超高速レーザー製品マネージャーである Bernhard Wolfring 氏は、設計ソリューションでは、必要なレーザー ツールの物理的特性とコストを考慮する必要があると述べています。 「必要最小限の電力では、コストを一定レベル以下に下げることはできません」と彼は言います。 「一方で、最大電力要件は、コストと機能の点でシステムの大型化を避けるのに役立ちます。その結果、通常、特殊なレーザー システムでは、設計とコスト、および設計とパラメータの間の最適なバランスが得られます。」
アプリケーション 1: 材料加工
フェムト秒レーザーは、フラットパネルディスプレイ用のホイルの切断、医療用足場の微細加工、ウェーハのスクライビングなど、幅広い材料加工用途で引き続き使用されています。
フェムト秒パルスは、ピコ秒またはナノ秒パルスと比較して微細加工アプリケーションの品質を向上させます。その理由の 1 つは、フェムト秒パルスは熱影響部 (HAZ) や加工領域周囲の破片などの熱欠陥の影響を最小限に抑えるためです。 これらの利点には結論があることに注意してください。ほとんどの材料では、350 fs より短いパルスでは加工効率が向上せず、より高価な光学系が必要になる可能性があります。 さらに、パルス幅自体は問題の一部にすぎません。
NKT Photonicsの超高速レーザー戦略マーケティング担当ディレクター、Hui Imam氏は次のように述べています。「パルス幅は少し誤解を招く可能性があると考えています。重要なパラメータはピークパワーであり、これは短いフェムト秒内に供給されるエネルギー量です。ピークが大きいほど、所定の短いフェムト秒パルスに対する出力が大きいほど、より少ない熱影響でより多くの材料がアブレーションされます。」
ニチノール、ポリマー、薬剤注入材料、または薄い誘電体など、温度や機械的に敏感な材料には、還元熱処理が重要です。
超高速ファイバーレーザーのパルスエネルギーと平均出力は、ファイバー損傷閾値によって制限されます。 プレートアンプやディスクアンプなどの増幅構造は、より高いパルスエネルギーと平均パワーを生成できます。 ただし、設置面積が大きく、コストが高く、より厳しい冷却要件も伴います。
平均パワーと繰り返し率によって、単一のレーザー パルスで達成できる最大パルス エネルギーが決まります。 ほとんどの材料処理アプリケーションでは、最適なパルスエネルギーはいわゆるアブレーション閾値によって異なります。
閾値は材料によって異なりますが、パルスエネルギーが材料のアブレーション閾値を超えると、プロセスは飽和状態になります。 基本的に、アブレーション プロセス中に生成されるプラズマは後続のパルスを吸収し、熱が増加して処理効率が低下します。
「ほとんどの材料のアブレーションでは、フェムト秒パルスを使用する場合の一般的なパルス エネルギーは {{0}}.02 ～ 0.2 mJ です。」 ジョージは言いました。
フェムト秒レーザーパルスの非常に高い出力密度は、材料内で二光子または多光子吸収を引き起こし、その結果、光回折の限界を超えた高解像度の三次元構造が得られます。 従来のマイクロ/ナノ製造技術とは対照的に、フェムト秒レーザー加工は、ナノスケールの形状サイズと 3 次元構造の機能の両方を提供します。
単位面積当たりに伝達される光エネルギーの量（レーザーフルエンスと呼ばれる）によって、アブレーション速度効率（mm3/min/W）が決まります。 ほとんどの材料では、最高の処理品質と光エネルギーの最も効率的な使用を組み合わせた最適なピークフルエンス値は約 1 J/cm2 です。
MKS Spectra-Physics のシニア アプリケーション エンジニアリング マネージャーである Jim Bovatsek 氏は、「ピークを下回る光束では効率が急激に低下しますが、光束が高くなると効率は徐々に低下します。」と述べています。 これにより、より高い繰り返しレートで実行することでスループットが向上し、結果として平均電力が高くなります。
しかし、ある時点で、補助モーション/スキャン装置の動きが十分に速くないか、残留熱エネルギーを放散する材料の能力が不十分、またはその両方が発生し、その結果、熱影響ゾーンが理想的とは言えなくなります。
ニチノールなどの材料を切断する場合、熱影響部 (HAZ) が形成され始める前のレーザー繰り返し周波数とパルス エネルギーは、それぞれ 100 kHz と ~80 µJ が上限のようですが、パルス周波数が 100 kHz を超えると、ボヴァツェク氏によると、100Wを超える出力を持つ2MHzは、ポリエチレンテレフタレートやポリイミドなどのポリマーフィルムの切断に使用できるという。
応用例2：医療部品のマーキング
フェムト秒レーザーは、生産量がレーザーの価格を補ってくれる場合、再利用可能な医療機器をマーキングするための理想的な技術ソリューションとなり得ます。
医療機器に黒または暗色の永久 2D バーコードをマーキングするアプリケーションが増加しています。これを使用して、これらのツールを登録し、いつ洗浄したかを追跡できます。
通常、これらのアイテムにマーキングするには、低コストのナノ秒パルスレーザーの使用が必要です。 これらのマーカーは耐腐食性を得るために化学処理されています。 ただし、フェムト秒レーザーは、時間が経っても腐食や酸化しない消えないマークを生成するため、追加の化学処理手順は必要ない場合があります。
ピコ秒またはフェムト秒レーザーで金属を加工すると、ナノスケールで小さな周期構造が生成され、高コントラストの黒いマーキングとして現れます。」とジョージ・アット・トンソン氏は述べています。これらの黒いマーキングは視野角に依存せず、どの視野角でも黒色のコントラストを示します。
フェムト秒パルスがピコ秒パルスよりも優れたマーカー品質を達成できるかどうかについて研究が続けられています。 ただし、繰り返し率が高いほどスキャンが高速になり、サイクル時間が短縮されます。 したがって、医療マーキングアプリケーションでは、速度と品質の間のトレードオフを考慮する必要があります。
黒いマーキングでは、低いパルスエネルギー (<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."
用途3：溶接・切断
ガラスなどの脆性材料の加工も、フェムト秒レーザーの新たな産業市場です。
European Photonics Industry Consortium (EPIC) のフォトニクス技術マネージャーである Antonio Castelo 氏によると、ガラス加工には波長とパルスエネルギーの正確な組み合わせが必要です。 正しいパラメータを使用しないと、多くの場合、プロセスの最後に追加の研磨ステップが追加されます。
Castelo 氏は、「ガラスやポリマー材料に使用される一部のプロセスでは、近赤外線と中赤外線の異なる波長が必要になる場合があります。現在、あらゆるソリューションが 2- および 3- ミクロンで利用可能です。」と述べています。
ガラスや透明な脆性プラスチックの切断と溶接には、ベッセル ビームとして知られる特定のパルス プロファイルを実現するための特別な光学系が必要です。 このビームは、単一パスで材料を修正できる薄いレーザー ナイフと同様に、処理中の材料上に一連の線状焦点を作成します。
加工できる最大厚さはパルスエネルギーによって制限されます。 材料が厚ければ厚いほど、必要なパルスエネルギーは高くなります。
ガラス溶接の場合、パルス エネルギーの範囲は、材料の種類に応じて {{0}}.01 mJ ～ 0.04 mJ、ガラス切断の場合、パルス エネルギーは 0.1 mJ ～ 2 mJ です。処理するサンプルの厚さに応じて、mJ を使用できます」と ThruPoint の Huerta-Murillo 氏は述べています。厚さ 12 mm までのガラス板のレーザー切断は、トムソン アプリケーション ラボラトリーですでに実現されています。
パルス持続時間もガラス加工における重要な要素です。 たとえば、透明なガラスの切断はピコ秒パルスで実行できます。 しかし、透明なガラスを溶接する場合は、フェムト秒パルスの方がより高いピークパワーを達成できるため、より有用です。これにより、特定の局所領域でガラスが溶融します。
アプリケーション 4: 多光子顕微鏡
フェムト秒パルスは、非線形顕微鏡、二光子光遺伝学、三光子イメージングなどの生物学的および科学イメージング用途に価値のある多光子アプリケーションを誘発するのに特に適しています。
これらの市場の主なエンドユーザーは、光学的背景が限られた生物学者や神経科学者です。 レーザー ツールを簡素化する機能の追加は、これらのエンド ユーザーにとって特に魅力的です。
それは常に、ユーザーにとっての付加価値、最も多くの場合、使いやすさと使いやすさの点に戻ってきます」と Coherent の Arrigoni 氏は述べています。中核となるイメージング ラボのユーザーは、頻繁に入れ替わり、経験が浅いため、完全なターンキー スイートの恩恵を受ける可能性があります。パフォーマンスが高く、ターンキー レーザー システムの 2 倍の価格を容易に受け入れることができます。」
超高速レーザーの科学的応用の約 80% は、平均出力 10 W、パルス周波数 1 kHz ～ 10 MHz、パルス幅 20 fs ～ 200 fs の間で調整可能、波長調整可能なターンキー レーザーで実現されています。 200nmと1,000nm。
ライフサイエンス用途における多光子現象をターゲットとするフェムト秒レーザーの場合、通常、パルスエネルギーまたはピークパワーが最も重要な要素であるとウォルフリング氏は述べた。 良好な結果を得るには、これらのパラメータを特定の範囲内に維持する必要があります。 パワーが低すぎると、二光子プロセスの効率が十分ではなく、良好なコントラストの顕微鏡画像を生成できない可能性があります。 パラメータが高すぎる場合、顕微鏡画像に焼けた組織サンプルが表示される場合があります。
一般に、多光子イメージング用途では、高速画像スキャンをサポートし、生体サンプルへの損傷を回避するために、レーザーが 1 ～ 100 MHz のパルス周波数で数十から数百ナノジュールのエネルギーを出力する必要があります。
原理的には、パルスが短いほど非線形効果は大きくなりますが、光学システムを伝播する際に短いパルス幅を維持することが重要な要素です。 分散効果や補償効果などのパラメータが重要になります。
理想と現実のバランスをどう取るか？
分光法からフォトニクス コンピューティングに至るまで、超高速レーザーは依然として新しい応用分野を見出しています。
これらの分野の顧客はレーザーに柔軟性と調整可能性を求めていますが、超高速光源の寿命はまだ市場規模に見合っていません。 Menhir Photonics の CEO、Florian Emaury 氏によると、これらの新興市場に製品を提供するためのトレードオフは、取り組む価値のある課題です。
これらの市場向けの超高速レーザー システムの設計では、信頼性と製造可能性の観点から、顧客のニーズと合理的な成果物のバランスを取る必要があります。 堅牢なターンキー システムを構築するには、目的のアプリケーションに必要な最小仕様を決定することから始めて、反復的な手順が必要です。
Emaury 氏は、顧客の要件は常に必要なものに対して合理的ですが、顧客が必要なシステムの信頼性と再現性の観点から何を望んでいるのかを考慮することはほとんどありません。 長年にわたるレーザーの所有コストを考慮することが重要です。
今後の進展は？
超高速レーザーは、より使いやすく、より競争力のある価格に加えて、よりコンパクトになっています。 ファイバーベースのシステムにより、より柔軟なビーム照射が可能になり、狭い生産ライン、顕微鏡システム、または医療環境に簡単に統合できます。
設置面積が小さいため、フォトニック コンピューティング アーキテクチャなどの小型デバイスに超高速レーザーを搭載することもできます。超短パルスの精度により、フォトニック マイクロプロセッサはより少ないエネルギーでより高速に計算を実行できます。
Emaury 氏は、「これは非常に需要の高い市場であると考えており、年間数百万ではないにしても、数十万のレーザーを生産する予定です。」と述べています。 もちろん、現時点ではこれらのレーザーは携帯電話のサイズよりも小さいでしょうが、ハイエンド コンピューターの中核コンポーネントとなるでしょう。」
フォトニックコンピューティングに特化したレーザーは、ギガヘルツレベルの繰り返しレートを提供し、10fs ウィンドウ内で各パルスの時間を正確に測定する必要があります。
この市場や他の市場では、今日のレーザーではまだ不可能な複雑なパラメータが必要になる可能性がありますが、最近のレーザーの進歩により新たな開発が促進されています。
超高速レーザーが進化するにつれて、繰り返し率、波長、パルス持続時間の点でより堅牢で多用途な性能が得られ、その用途の拡大に大きな変化が生じることは避けられません。 しかし、テクノロジーが市場をどのように推進するかの間には、ある種の相互ギブアンドテイクがあるようです。
「近年のファイバーレーザーの開発は、チャープパルス増幅などの新しい概念によって達成できる新しいレーザー波長と新しい出力レベルが、ファイバーレーザーが現在の主要市場に参入するための重要な技術的推進力となることを示しています。」 ヴォルフリング氏は語った。 www.DeepL.com/Translator で翻訳 (無料版)
