چهارشنبه 28 آذر 1397 ساعت 19:13

چه طول موج و پهنای زمانی پالسی برای کاربرد شما مناسب است؟

چه طول موج و پهنای زمانی پالسی برای کاربرد شما مناسب است؟

حدود 20 سال پیش تنها لیزر ماوراء بنفشی (UV) که در تولید استفاده می شد، لیزر اگزایمر بود که با عرض پالس حدود 20 نانو-ثانیه، سریعترین لیزر پالسی[1] ((UFP زمان خودش شناخته می شد. به دلیل برخی کاربردها که در آن ها به فرآوری مواد با کیفیت بالاتر نیاز بود، لیزرهایی با پهنای زمانی چند نانو-ثانیه تولید شدند. در این راستا شرکت Lumonics آمریکا یک لیزر ۲ نانو-ثانیه ای تولید کرد.
در طرف دیگر طیف مرئی، فرآوری مواد بوسیله پرتو مادون قرمز (IR) (غیر از لیزر دی اکسید کربن) تقریباً به طور انحصاری با لیزرهای Nd:YAG یا دیگر مشتقات آن ها انجام می شد. در این زمان لیزرهای فیبری مادون قرمز نیز (و همچنین لیزرهای دیسک) در مقیاس صنعتی وجود نداشتند (اگرچه امروزه آن ها بار صنعت را به دوش می کشند)، بنابراین کار با بخش مرئی طیف مورد بررسی قرار گرفت.
بیش از 10 سال است که تکنولوژی UFP (لیزرهایی با طول پالس کمتر از یک نانو-ثانیه) از نظر زیر ساختی عملیاتی شده است. همچنین در حال حاضر گزینه های مختلفی برای انتخاب یک لیزر UV مناسب برای کاربردهای خاص موجود است. بعلاوه هنگام خرید یک لیزر UFP، قابلیت کار در محدوده طول موج های UV، مرئی و IR در آن قرار داده می شود. در یک محیط تولیدی معمولاً از یک طول موج استفاده می شود زیرا تعداد قطعات و مواد مورد نیاز برای فرآوری بسیار کم است. برای یک محیط تحقیق و توسعه یا محیط کاری فروشگاهی، اغلب دسترسی به هر سه طول موج مفید است. امروزه در بیشتر آزمایشگاه ها، لیزرهای نانو-ثانیه، پیکو-ثانیه و فمتو-ثانیه موجود است که همه در طول موج های IR، مرئی و UV عمل می کنند به طوری که مشتری می تواند امکانات را بررسی و چیدمان مناسب برای کار را انتخاب کند.
شکل 1 نمودار پهنای پالس (از فمتو-ثانیه تا موج پیوسته (CW)) برحسب طول موج (از IR تا UV) را نشان می دهد. لیزرهایی با خروجی نزدیک به مبدأ (گوشه پایین سمت چپ شکل 1) برای دستیابی به ویژگی هایی با بالاترین کیفیت در هدف یعنی طول موج و طول پالس کوتاه ایده آل هستند. لیزرهای گوشه بالا سمت راست شکل 1، طول پالس و طول موج بلند دارند بنابراین این لیزرها به طور کلی برای کاربردهای میکرو ماشین کاری مناسب نیستند؛ اگرچه ممکن است برای سایر موارد مانند جوشکاری، اتصال، پرداخت سطح و ساخت های تکمیلی[2] بسیار مفید باشند. باید توجه شود که هیچ کاربردی برای لیزرهای نشان داده شده در گوشه بالا سمت چپ شکل 1، ذکر نشده است. در واقع استفاده از لیزرهای UV با پهنای زمانی بلند برای اکثر کاربردها تقریباً غیر ممکن است. بنابراین، بحث بر روی لیزرهایی که در ناحیه آبی قرار دارند، متمرکز خواهد شد.
 
شکل 1- نمودار پهنای زمانی پالس بر حسب طول موج.
 
اگرچه هر دو لیزر اگزایمر و CO2 هنوز در فرآوری مواد جزء ارزشمندترین لیزرها هستند، بحث کنونی روی لیزرهایی با طول موج 2 میکرومتر تا 300 نانومتر متمرکز خواهد بود. این بازه، لیزرهای هارمونیک چهارم را مستثنی می­شود. اما باید توجه داشت که این لیزرها تا پیش از تجاری شدن لیزرهای پیکو-ثانیه و فمتو-ثانیه، بسیار مفید بودند ولی چون زیاد قابل اطمینان[3] نیستند، دیگر مورد استفاده قرار نمی گیرند مگر اینکه ضرورتی ایجاب کند (مانند لیزرهای اگزایمر).
جدول زیر برخی از ویژگی های سه طول موج مورد بحث را نشان می دهد. بطور خلاصه، فوتون های UV قیمت بیشتری دارند و توان آن ها نسبت به فوتون های IR کمتر است، اما دستیابی به ساختارهای کوچکتر و تمیزتر برای آن ها ممکن است و حذف مواد در آن ها دقیق تر اما کندتر از استفاده از IR است. طول موج مرئی برای کاربردهایی نظیر فرآوری از پشت مواد شفاف[4] یا حذف اکسید قلع ایندیوم استفاده می شود، اما بدلیل مسائل ایمنی چشم، معمولاً جایگزینی در نظر گرفته می شود.

لیزرهای نانو-ثانیه­
لیزرهای حالت جامد پمپاژ دیودی[5] (DPSS) برای اولین بار در اواخر دهه 1990 به صورت تجاری در محیط های صنعتی معرفی شدند. اولین دستگاه ها در طول موج ۳۵۵ نانومتر، توان خروجی چند وات داشتند. قبل از اینکه این لیزرها بوسیله دیود پمپاژ شوند، با استفاده از لامپ پمپاژ می شدند اما این لیزرها بسیار غیر قابل اعتماد بودند. در آن زمان، دو وات از نور UV نانو-ثانیه ای بیش از ۱۰۰ هزار دلار هزینه داشت.  
این بازار رشد کرد و این لیزرها هم اکنون توسط تعدادی از تولید کنندگان مختلف در IR، مرئی و UV عرضه می شود. به عنوان مثال لیزری با توان خروجی 10 وات در UVبا قیمت کمتر از ۵۰ هزار دلار در دسترس است. امروزه لیزرهای فیبری با توان ۱۰ وات در IR، کمتر از ۱۰ هزار ‌دلار قیمت دارند. در بیشتر موارد، پهنای پالس زمانی این لیزرها در محدوده ده ها تا صدها نانو-ثانیه است.
لیزرهای پیکو-ثانیه­
لیزرهای پیکو-ثانیه­ برای اولین بار در سال 2005 با شرکت Lumera (در حال حاضر بخشی از شرکت Coherent است) معرفی شد. طولی نکشید که بازیگران دیگر وارد این بازار شدند [1]. در حال حاضر، گزینه های متنوعی برای لیزرهای علمی و صنعتی وجود دارد. تقریباً همه آن ها پهنای پالسی بین 2 تا 20 پیکو-ثانیه دارند. چندین لیزر هم با پهنای پالس صدها پیکو-ثانیه وجود دارد اما استفاده از این لیزرها برای اکثر کاربردها سوال برانگیز است. در حقیقت، بخش بزرگی از این رده پهنای پالسی به عنوان "دره مرگ" نامیده می شود زیرا در اندرکنش با مواد ضعیف هستند (استفاده از این لیزرها مطمئناً بهتر از یک لیزر نانو-ثانیه ای نیست و در بسیاری از موارد حتی کیفیت بدتر است). بنابراین وقتی در مورد لیزرهای پیکو-ثانیه ای صحبت می شود، باید به معنای لیزرهایی با طول پالس کمتر از 20 پیکو-ثانیه و شاید تا حدود 50 پیکو-ثانیه نه بیشتر اطلاق شود.
یکی از ادعاهای سازندگان لیزر UFP این است که جذب در آن ها مستقل از طول موج است. این ادعا ممکن است در پهنای پالس های کوتاه تر درست باشد اما در حدود 10پیکو-ثانیه تقریباً همیشه اختلافی در کیفیت قطعات فرآوری شده در طول موج های IR در برابر UV موجود است.
به عنوان مثال، شکل 2 را در نظر بگیرید که نمونه ای با ضخامت 50 میکرومتر از پلی اتیلن ترفتالات[6] (PET) که با استفاده از یک لنز f-theta 100 میلی متری و توان خروجی تقریباً یکسان برای هر نمونه­ مختلف ساخته شده است را نشان می دهد. نمونه های نانو-ثانیه ای IR و UV (c-d) مقدار زیادی ته مانده و سوختگی را در لبه ها نشان می دهند. نمونه های پیکو-ثانیه ای (g-i) به طور قابل توجهی نسبت به نمونه های نانو-ثانیه ای بهبود یافته اند، اما هنوز بین سه طول موج، اختلاف دیداری در پهنای پالس 10 پیکو-ثانیه وجود دارد.

 
شکل 2- پلی اتیلن ترفتالات (PET) که با لیزرهای نانو-ثانیه و پیکو-ثانیه ماشین کاری شده اند.
 
همواره سوال این است، "چه کیفیتی برای کاربرد مورد نظر مناسب است؟" از آنجا که طول موج IR با توان بیشتری موجود است و فوتون­ های آن از فوتون ­های UVارزانتر است، این طول موج برای اکثر کاربردها مورد استفاده قرار می­گیرد اما اگر بالاترین کیفیت و/یا کوچکترین اندازه مورد نیاز باشد، UV بهتر است. بطور کلی، لیزرهای پیکو-ثانیه­ در جایی که توان بالاتر به نسبت کیفیت هدف مهمتر باشد، بکار می روند.
زمانی که این لیزرها برای اولین بار عرضه شدند، قیمت آن ها بیش از ۳۰۰ هزار دلار بود. در حال حاضر، قیمت یک لیزر توان متوسط (20 وات) IR، ۱۳۰ تا ۱۵۰ هزار دلار است و در هارمونیک و توان های بالاتر قیمت به بیش از ۲۰۰ هزار دلار می رسد. همچنین شرکت هایی مانند Edge Wave آلمان لیزرهایی با توان بسیار بالا را با استفاده از تقویت کننده های اسلب[7] تولید می کنند اما در کل این لیزرها در کاربردهای بسیار خاصی استفاده می شوند.
هم اکنون شرکت IPG Photonics آمریکا که تازه نیز به بازار UFP وارد شده است در حال فروش لیزری 50 واتی با عرض پالس 15 نانو-ثانیه به قیمت ۶۵ هزار دلار است. علاوه بر قیمت کم، این لیزرها از لحظه اول تنها به 60 ثانیه زمان برای گرم شدن نیاز دارند و همچنین سری لیزر[8] کوچک آن و محفظه منبع تغذیه آن که به صورت رک های جداگانه[9] است می تواند به آسانی به سیستم های موجود یا دیگر طرح های کوچک متصل شوند.
لیزرهای فمتو-ثانیه­
لیزرهای فمتو-ثانیه از 10 تا 900 فمتو-ثانیه به صورت تجاری در دسترس هستند، اما بازه واقعی مفید بین 200 تا 500 فمتو-ثانیه است. لیزرهای بالاتر از 500 فمتو-ثانیه، بیشتر شبیه یک لیزر پیکو-ثانیه­ هستند. در زیر 200 فمتو-ثانیه، معمولاً بهبود قابل ملاحظه ای در کیفیت بوجود نیامده است و همچنین قطعات اپتیکی نیز به دلیل پهنای طیفی نور، بسیار مشکل تر ساخته می شوند. در بازه ذکر شده، در اکثر مواد اختلاف قابل توجهی در کیفیت وجود ندارد، بنابراین در حال حاضر در اکثر کاربردها برای این نوع لیزر از طول موج اصلی استفاده می شود. بعضی از مواد مانند شیشه و برخی از پلیمرها حتی در رژیم فمتو-ثانیه­، در UV با کیفیت لبه بهتر پرداخته می شوند. علاوه بر این، UV برای رسیدن به کوچکترین قطر لکه نیز مورد نیاز است. باید توجه شود که یکی از مزیت های دیگر قطر لکه کوچک، بریدگی کوچکتر است که این به معنای حذف مواد کمتر و بنابراین تخریب کمتر و برش تمیزتر است.
همانطور که در بالا نیز ذکر شد، قیمت اولیه لیزرهای پیکو-ثانیه بیش از 300 هزار دلار بود. در حال حاضر، قیمت یک لیزر فمتو-ثانیه IR توان بالا (20 وات) در حدود 200 تا225 هزار دلار است و اگر هارمونیک ها نیز اضافه شوند، 20 هزار دلار به قیمت بالا اضافه می شود.
در مورد انرژی های بسیار بالا، شرکت هایی نظیر Amphos آلمان لیزرهای فمتو-ثانیه­ با صدها وات خروجی تولید می کنند اما این لیزرها معمولاً در کاربردهای میکروماشین کاری معمول استفاده نمی شوند و همچنین دارای قیمت بالایی نیز هستند. شرکت Light Conversion لیتوانی یک مدل لیزر هوا خنک با منبع تغذیه بسیار کوچک که قابلیت نصب بر دیوار هم دارد و قیمت آن تنها کمی بیشتر از 100 هزار دلار برای 3 وات نور مادون قرمز است، می فروشد. مدت هاست که شرکت Amplitude Systèmesفرانسه که عرضه کننده لیزر فمتو-ثانیه­ است، یک لیزر 100 واتی، μJ/pulse 300 و یک لیزر جدید ارزان قیمت 10 واتی با عرض پالس کمتر از 500 فمتو-ثانیه ارائه می دهد. غول های صنعت یعنی شرکت های Spectra-Physics و Coherent نیز محصولات رقیب بسیاری را عرضه کرده اند.
شرکت IPG Photonics که در بازار به شکننده قیمت نیز معروف است، در حال حاضر یک لیزر فمتو-ثانیه با خروجی 10 وات در طول موج اصلی و پهنای پالس تقریباً 500فمتو-ثانیه و قیمت تقریبی 100 هزار دلار به بازار عرضه کرده است. بنابراین، می توان به لیزر فمتو-ثانیه­ با قیمت کمتر از 100 هزار دلار دست یافت و ممکن است تا زمانی که این مقاله برای چاپ برود، تحقق یابد.
قدم بعدی چیست؟
در حال حاضر، لیزر ایده آلی که چندین سال پیش دست یافتن به آن آرزو بود، تقریباً به یک واقعیت تبدیل شده است. چند سال پیش بیان شده بود که به انرژی پالس بالاتری نیاز است اما طی چند سال اخیر مشخص شده­ است که برای اکثر کاربردها حتی از توان یا انرژی در دسترس هر پالس استفاده نمی شود.
هنگام استفاده از گالوانومتر، یک معیار خوب این است که حداقل 50 میکروژول در هر پالس برای لیزرهای پیکو-ثانیه­ و نانو-ثانیه­ و 25 میکروژول در هر پالس برای لیزرهای فمتو-ثانیه ای با عرض پالس کمتر از 500 فمتو-ثانیه مورد نیاز است. انرژی پالس بیش از حد یا نرخ تکرار خیلی بالا می تواند کیفیت مورد نظر را تحت تأثیر قرار دهد. شرکتPhotonics Industries آمریکا لیزرهایی با انرژی پالس بیش از 700 میکروژول برای کاربردهایی که واقعاً به آن نیاز دارند، می فروشد. رفتن به سمت عرض پالس های کمتر از 200 فمتو-ثانیه مسیر جالبی به نظر نمی رسد. بنابراین اکنون که ساخت لیزرهای فمتوثانیه تقریباً به یک پدیده عادی تبدیل شده است، هدف بعدی کوچکتر و ارزانتر شدن آنها است، ولی این در مورد لیزرهای با قیمت کمتر از ۱۰۰ هزار دلار صادق نیست و حجم آن ها به طور قابل توجهی افزایش می یابد.
در نهایت، راه ساده برای انتخاب صحیح لیزر مناسب با کاربرد مورد نظر، انتخاب لیزری است که کیفیت کافی و کمترین قیمت را داشته باشد. درباره کاربرد مورد نظر، ابتدا فرض می شود که با فوتون های نانو-ثانیه IR قابل انجام است، اگر نه، استفاده از فوتون­های نور مرئی یا UV و یا رفتن به سمت طول پالس کوتاهتر در نظر گرفته می شود. بنظر می رسد انتخاب لیزر مناسب کار بسیار دشواری باشد و در واقع همینطور است اما مراکز مناسبی از جمله تولیدکنندگان لیزر و شرکت های مشاوره ای وجود دارند که می توانند در این روند کمک کنند.
 
 
References
[1] R. Schaeffer, "Commercially available ultrafast-pulse lasers: An update," Industrial Laser Solutions, 29, 6, 18–20 and 32 (Nov/Dec. 2014); http://bit.ly/2fTNRbY.
[2] See http://bit.ly/2ghQdCr.
 
Source: http://www.industrial-lasers.com/articles/print/volume-32/issue-1/features/which-pulse-length-and-wavelength-is-right-for-your-application.html?cmpid=enl_ils_newsletter_2017-03-23.
 
 
 

[1] Ultra Fast-Pulse
[2] Additive Manufacturing
[3] Reliability
[4] Backside Processing of Transparent Materials
[5] Diode-Pumped Solid-State Laser
[6] Poly Ethilen Terephthalate
[7] Slab Amplifiers
[8] Head
[9] Rack-Mount Power Supply

منبع : مرکز لیزر      1397/4/26 13:35