Пикосекундные и фемтосекундные лазеры: комплексное техническое сравнение
Введение
В области передовых лазерных технологий,сверхбыстрые лазерыПроизвели революцию в прецизионном производстве, медицинских процедурах и научных исследованиях. Пикосекундные и фемтосекундные лазеры представляют собой передовой этап в технологии сверхкоротких импульсов. Хотя оба лазера работают в непостижимо быстрых для человека временных интервалах, тонкие различия между ними существенно влияют на их применение и эффективность. В этом техническом сравнении рассматриваются фундаментальные характеристики, механизмы и практические аспекты этих двух лазерных технологий..
Развитие сверхбыстрых лазерных технологий за последнее десятилетие привело к прорывам во многих отраслях. От минимально инвазивных операций на глазах до беспрецедентной точности обработки материалов, эти лазеры стали незаменимыми инструментами в высокотехнологичных приложениях, где точность и минимальный сопутствующий ущерб имеют первостепенное значение. .
1. Основные понятия и физические принципы
1.1 Определения временной шкалы
Основное различие между пикосекундными и фемтосекундными лазерами заключается в ихдлительность импульсаПикосекунда (пс) равна 10⁻¹² секунды — одной триллионной секунды, а фемтосекунда (фс) — 10⁻¹⁵ секунды — одной квадриллионной секунды. Чтобы представить себе эту разницу, предположим, что одна фемтосекунда относится к одной пикосекунде так же, как одна секунда относится к примерно 31 709 годам..
Эта разница в длительности импульса напрямую влияет на ихпиковая мощностьХарактеристики. При сравнении лазеров с одинаковой энергией импульса фемтосекундные лазеры достигают значительно более высокой пиковой мощности, поскольку энергия сжимается в гораздо более короткий промежуток времени. Эта более высокая пиковая мощность позволяет реализовать уникальные нелинейные оптические явления, менее выраженные в пикосекундных системах..
1.2 Механизмы взаимодействия материалов
Фундаментальное различие в том, как эти лазеры взаимодействуют с материалами, заключается в длительности их импульсов относительновремя тепловой релаксацииматериалов. Пикосекундные лазеры выделяют энергию быстрее, чем она может рассеиваться от места удара за счёт теплопроводности, но всё же приводят к некоторому накоплению тепла и увеличению зоны термического влияния (ЗТВ). В отличие от этого, фемтосекундные лазеры выделяют энергию так быстро, что материал испаряется до того, как произойдёт значительная диффузия тепла, что приводит к значительному уменьшению ЗТВ. .
Это приводит к разныммеханизмы абляцииУдаление материала пикосекундным лазером часто сочетает термические и нетермические процессы, при которых импульс нагревает материал, вызывая плавление и испарение, а также создаёт определённое механическое напряжение. Фемтосекундные лазеры работают преимущественно по принципу нетермической абляции, при которой высокая плотность энергии разрушает материал на атомном уровне, что обеспечивает исключительно чистое удаление материала с минимальным сопутствующим ущербом. .
Холодная абляция (дддхххх) сверхбыстрых лазеров обусловлена тем, что их импульсы настолько короткие, что энергия, направленная на материал, не может уйти в виде тепла. Вместо этого материал переходит непосредственно из твёрдой фазы в газообразную (сублимация), полностью минуя стадию расплава. Это минимизирует или полностью устраняет многие нежелательные эффекты, такие как образование осколков, образование подповерхностных трещин или образование кристаллической структуры..
2. Сравнение технических характеристик
2.1 Показатели точности и качества
Theменьшая зона термического влиянияФемтосекундные лазеры делают их превосходными для применений, требующих высочайшей точности. При обработке металлов фемтосекундные лазеры не образуют заусенцев на поверхности, обеспечивая более чёткие контуры и меньшую шероховатость поверхности по сравнению с пикосекундными лазерами..
С точки зрениякачество абляцииФемтосекундные лазеры, как правило, обеспечивают более чистые результаты при обработке большинства материалов. В области обработки пластика фемтосекундные лазеры могут эффективно обрабатывать более широкий спектр материалов, в то время как пикосекундным лазерам обычно требуется зелёная или ультрафиолетовая длина волны для обработки пластика с сопоставимым качеством. .
Достижимоеразмер объектаТакже на него влияют параметры длины волны. Для обоих типов лазеров доступны инфракрасный (ИК), зелёный (ЗК) и ультрафиолетовый (УФ) диапазоны. Наименьший достижимый размер пятна фокусировки напрямую зависит от длины волны: УФ-лазер может фокусироваться до размера пятна, составляющего одну треть диаметра ИК-лазера, что позволяет создавать более тонкие элементы. .
2.2 Скорость обработки и пропускная способность
Хотя фемтосекундные лазеры обычно обеспечивают превосходную точность,пикосекундные лазеры обычно обеспечивают более высокую скорость удаления материалаДля многих приложений. Это преимущество в скорости делает пикосекундные лазеры более подходящими для процессов, где высокая точность не является главным требованием, но важна производительность. .
Theчастота повторенияВозможности этих технологий также различаются. Пикосекундные лазеры обеспечивают большую гибкость масштабирования мощности до 50 Вт и более и частоты повторения импульсов до 500 Гц и более, что делает их значительно более производительными для многих промышленных применений..
Для таких специфических применений, как обработка стекла, пикосекундные лазеры могут обеспечивать скорость удаления материала от 0,1 до более 1 мм³/мин на ватт мощности лазера. Для нержавеющей стали скорость удаления материала обычно составляет от 0,05 до 0,2 мм³/мин на ватт..
Таблица: Сравнительные характеристики обработки пикосекундных и фемтосекундных лазеров
3 Приложения и варианты использования
3.1 Медицинское применение
Вофтальмологическая хирургияФемтосекундные лазеры произвели революцию в таких процедурах, как ЛАСИК и хирургия катаракты. Их исключительная точность позволяет формировать роговичные лоскуты с минимальным повреждением тканей, превосходя механические микрокератомы по предсказуемости толщины лоскута и уменьшая количество осложнений, таких как образование «петли» или свободных колпачков..
Длядерматологические примененияПикосекундные лазеры превосходно подходят для удаления татуировок и омоложения кожи. Их импульсы эффективно разбивают частицы краски на мельчайшие фрагменты, которые легко выводятся организмом, одновременно стимулируя выработку коллагена для разглаживания морщин с минимальным временем восстановления..
Фемтосекундные лазеры обеспечивают высокую точностьрассечение тканейв деликатных процедурах, что приносит пользу нейрохирургии и другим микрохирургическим применениям, где сохранение окружающих тканей имеет решающее значение.
3.2 Промышленная и материалообрабатывающая промышленность
Вприложения микрообработкиПикосекундные лазеры служат универсальными инструментами для обработки различных материалов, включая металлы, полупроводники и прозрачные материалы, такие как стекло и сапфир. Они позволяют создавать элементы размером до 31 нм с минимальным термическим повреждением. .
Фемтосекундные лазеры превосходны ввысокоточная микрообработкаТребует субмикронной точности, особенно для создания чрезвычайно точных элементов в сложных материалах без термического повреждения. Они незаменимы для таких применений, как удаление тонких плёнок в производстве полупроводников, где защита подложки критически важна..
Дляобработка прозрачных материаловОба лазера позволяют проводить внутреннюю модификацию, но фемтосекундные лазеры особенно эффективны в трехмерной микро- и нанообработке в прозрачных материалах посредством нелинейных взаимодействий, таких как многофотонное поглощение..
3.3 Применение научных исследований
ВспектроскопияОба типа лазеров исследуют сверхбыстрые процессы, при этом фемтосекундные лазеры обеспечивают более высокое временное разрешение для регистрации чрезвычайно быстрых молекулярных событий..
Полематериаловедениеиспользует обе технологии для изучения реакции материалов на сверхкороткие световые импульсы, при этом фемтосекундные лазеры позволяют наблюдать явления в ранее недоступных временных масштабах.
Фемтосекундные лазеры позволили создать инновационныетрехмерное изготовлениеподходы к изучению прозрачных материалов посредством многофотонной полимеризации, создание микроструктур для фотонных устройств, микрофлюидики и биомедицинских приложений
.
4 практических соображения и критерии выбора
4.1 Стоимость и экономические факторы
Theзначительная разница в ценеВыбор между этими технологиями остаётся критически важным. Фемтосекундные лазерные системы обычно требуют более высоких первоначальных инвестиций и затрат на обслуживание, а стоимость всей системы зачастую превышает 400 000 долларов США..
Пикосекундные лазеры становятся всё более экономичными: за последние годы стоимость фотонов снизилась более чем в 10 раз. Общая стоимость владения промышленными пикосекундными лазерами достигла примерно 8–12 евро в час, что делает их более доступными для различных применений. .
Решение о выборе технологий должно включать:требования к пропускной способностии анализ окупаемости инвестиций. В приложениях, где достаточно точности пикосекундных лазеров, их более высокая скорость обработки может обеспечить более высокую экономическую выгоду. .
4.2 Системная интеграция и эксплуатационные требования
Экологическая стабильностькритически важна для сверхбыстрых лазерных систем. Колебания температуры более чем на несколько градусов могут вызвать серьёзные проблемы с оснасткой, предметными столиками и стабильностью наведения лазера в прецизионных приложениях. Для поддержания производительности таким системам обычно требуется контролируемая среда..
Theсложность интеграцииСверхбыстрые лазеры состоят из множества компонентов, включая лазерный источник, оптический тракт, фокусирующую оптику, системы движения, системы технического зрения и системы управления космическим мусором. Каждый элемент должен быть тщательно спроектирован для поддержания точности лазера.
Управление мусоромЭто особенно важно для сверхбыстрых лазеров, которые производят наночастицы, имеющие тенденцию заряжаться и прилипать к поверхностям. Эффективное удаление часто требует специальных систем экстракции или процедур ультразвуковой очистки..
4.3 Рекомендации по выбору для конкретного применения
Выбор между пикосекундной и фемтосекундной технологиями требует оценки нескольких факторов:
•Свойства материала: Некоторые материалы более восприимчивы к термическому повреждению, поэтому требуется фемтосекундная точность
•Требования к точности: Приложения, требующие высочайшей точности и минимальной зоны термического влияния, обычно оправдывают выбор фемтосекундного лазера.
•Потребности в пропускной способности: Пикосекундные лазеры часто обеспечивают более высокую скорость обработки для приложений, где их уровень точности достаточен.
•Общая стоимость владения: Помимо первоначальных инвестиций, учитывайте расходы на техническое обслуживание, эксплуатационные расходы и необходимые вспомогательные системы.
Для многих приложений оптимальный подход предполагает тестирование обеих технологий с использованием конкретных материалов и процессов. Такие компании, как Амада Миячи Америка, обычно проводят сравнительные испытания лазеров обоих типов при определении требований к применению..
Заключение
Пикосекундные и фемтосекундные лазеры занимают важные позиции в области сверхбыстрых лазерных технологий. В то время как фемтосекундные лазеры обеспечивают превосходную точность при минимальном тепловом воздействии, пикосекундные лазеры предлагают привлекательный баланс производительности и экономической эффективности для многих приложений..
Выбор между этими технологиями в конечном итоге зависит от конкретных требований к применению, требований к точности, целевой производительности и бюджетных ограничений. По мере развития обеих технологий, снижения стоимости и расширения возможностей ожидается значительное расширение их внедрения в медицине, промышленности и науке..
Дальнейшие разработки, вероятно, будут направлены на повышение мощности, повышение надежности, снижение затрат и расширение возможностей интеграции. Эти достижения откроют новые возможности применения и сделают сверхбыструю лазерную обработку более доступной в различных отраслях. .
