Когда фемтосекундные лазеры встречаются с «чёрными технологиями», открываются безграничные возможности обработки. 

Когда фемтосекундные лазеры встречаются с «чёрными технологиями», открываются безграничные возможности обработки.

В этом году на конкурсе «Laser Processing Industry — Ringier Technology Innovation Award» компания JPT Optoelectronics получила награду «Innovation Team of the Year», получив большинство голосов экспертов-судей за свой инновационный «ГГц-полосный фемтосекундный волоконный лазер мощностью 20 Вт». Ранее нам посчастливилось взять интервью у Хэ Ялуна, менеджера по прикладным процессам отдела технической поддержки лазеров компании, который рассказал об истории создания этого удостоенного награды продукта.

Хе Ялун, менеджер по процессу подачи заявок отдела технической поддержки JPT Laser

Часть 1
В: Пожалуйста, опишите историю разработки и области применения этого продукта, а также какие проблемные вопросы отрасли он может решить?

О: В прецизионной лазерной обработке фемтосекундные лазеры благодаря своей чрезвычайно короткой длительности импульса и высокой пиковой мощности обеспечивают чрезвычайно короткое время взаимодействия с материалами, что позволяет реализовать «холодную» обработку. Однако традиционная фемтосекундная лазерная обработка обычно использует одиночные импульсы с частотой повторения порядка кГц или МГц, взаимодействующие с материалом. Диапазон энергии одиночных импульсов составляет от 10 до 100 мкДж, что приводит к низкой эффективности обработки.

JPT использует технологию «абляционного охлаждения» с использованием цугов фемтосекундных лазерных импульсов гигагерцового диапазона. При непрерывных импульсах с высокой частотой повторения достигается баланс между эффектом отвода тепла при абляции и эффектом рассеивания тепла гигагерцовыми импульсами. Это позволяет снизить энергию одиночных импульсов до крайне низких значений (<1 мкДж), сохраняя при этом порог абляции и сохраняя чрезвычайно высокую точность обработки.

Этот 20-ваттный гигагерцовый фемтосекундный волоконный лазер с основной частотой включает в себя компактный, высокостабильный источник затравки с частотой повторения гигагерцового диапазона. В сочетании с высокоточной технологией акустооптической модуляции, строгим контролем синхронизации и оптимизированной конструкцией многокаскадного волоконного усилителя этот лазер обеспечивает гибкую регулировку частоты повторения, количества и энергии импульсов, предоставляя пользователям высоконастраиваемое лазерное выходное решение.

При использовании импульсных лазеров для обработки узкая длительность импульсов означает меньшее тепловое воздействие, а высокая частота повторения — более высокую эффективность обработки. Фемтосекундные лазеры диапазона ГГц сочетают в себе преимущества обоих типов, обеспечивая эффективную холодную обработку за счет абляционного охлаждения и фокусировки энергии на режущей кромке. Вся система обеспечивает высокую стабильность и превосходное качество луча, что делает ее особенно подходящей для холодной абляции твердых и хрупких материалов, обладая значительно более высокой эффективностью обработки по сравнению с традиционными одноимпульсными лазерами.

В настоящее время этот лазер демонстрирует значительный потенциал в области резки в стоматологии, в частности, для удаления эмали и дентина. В ответ на потребности клиентов компания провела специализированные испытания процесса на образцах человеческих зубов.

Результаты испытаний показывают, что по сравнению с традиционными низкочастотными фемтосекундными лазерами диапазона ГГц, фемтосекундные волоконные лазеры диапазона ГГц с основной частотой позволяют эффективно предотвращать карбонизацию или почернение зубной ткани при обработке на более высоких средних мощностях. Это значительно повышает эффективность удаления материала, обеспечивает превосходное качество поверхности и обеспечивает более эффективное и точное решение для стоматологического лечения, заслужив высокое признание пользователей.

Помимо стоматологии, этот лазер применяется также для лазерной подготовки зубов, модификации металлических поверхностей, обработки хрупких материалов и обработки глубоких отверстий. Технология абляционного охлаждения, основанная на фемтосекундных лазерах гигагерцового диапазона, эффективно компенсирует низкую пропускную способность фемтосекундных лазеров в промышленных приложениях, что делает его особенно подходящим для прецизионной обработки твердых и хрупких материалов и имеет значительную промышленную ценность.

Часть 2
В: Каковы уникальные преимущества этого продукта по сравнению с другими аналогичными продуктами?

О: Во-первых, этот лазер в основном состоит из системы усиления гигагерцового источника и системы сжатия и растяжения. Источник лазера использует решение без сохранения поляризации (NPE). NPE обеспечивает пассивную синхронизацию мод за счет нелинейного сдвига фазы и управления поляризацией внутри резонатора, что требует использования волокна без сохранения поляризации (NPM). Традиционные структуры NPM страдают от низкой помехоустойчивости из-за NPM-волокна. JPT использует уникальную внутрирезонаторную конструкцию для решения этой проблемы и обеспечения стабильности источника.

Во-вторых, источник затравки напрямую выводит гигагерцевые импульсы из резонатора, что обеспечивает лучшую стабильность импульсов, более простое управление дисперсией и превосходное качество выходного импульса.

Применение фемтосекундного волоконного лазера с основной частотой 20 Вт в стоматологической хирургии

В целом, источник затравки напрямую выводит фемтосекундные импульсы с частотой повторения гигагерцев, устраняя необходимость в традиционном методе суперпозиции импульсов внерезонаторной петли и эффективно устраняя сложность управления дисперсией. Усовершенствованная оптическая конструкция резонатора и модульная структура обеспечивают высокую стабильность источника затравки с частотой повторения гигагерцевых импульсов. Кроме того, электронный модуль управления обеспечивает мониторинг рабочего состояния источника затравки и контроль стабильности выходного сигнала на каждом этапе усиления, что дополнительно повышает безопасность и надежность лазера.

Лазер поддерживает гибкую регулировку числа импульсов (50–1000) и частоты повторения (100 кГц–1 МГц). Форма огибающей последовательности импульсов программируется, что соответствует требованиям к параметрам в различных сценариях применения и обеспечивает пользователям оптимальные результаты обработки и широкую адаптируемость к различным приложениям. Используя наш опыт в разработке импульсных лазеров MOPA, компания разработала продуманные программные и аппаратные решения для управления огибающей импульса, затравки, оптической коммутации, непрерывного управления каждым каскадом усиления, а также интеллектуальной обратной связи и мониторинга, что обеспечивает стабильность, надежность и высокую практичность лазера.

Часть 3

В: Каково ваше мнение о будущих перспективах применения лазеров, особенно фемтосекундных?

О: Для фемтосекундных лазеров ключевым направлением развития является уменьшение длительности импульса. Фактически измеренная длительность импульса наших текущих фемтосекундных лазеров составляет менее 300 фемтосекунд. В дальнейшем компания будет расширять производство и внедрять ещё более короткие импульсы. Кроме того, для достижения более высоких скоростей требуется более высокая мощность, поскольку будущая обработка неизбежно потребует баланса между временем и эффективностью. Повышение мощности является необходимым условием для повышения эффективности.

В настоящее время фемтосекундные лазеры обладают значительными преимуществами в обработке микроструктур материалов. Более узкая длительность лазерного импульса позволяет создавать микроструктуры меньшего размера, например, гравировать сложные узоры на спичечной головке. Требования к лазерам — меньшая длительность импульса, более высокая точность и меньшее тепловое воздействие.