Лазерный мир

26 и 27 апреля 2017 года в Аахене встретились 150 экспертов из науки и промышленности для четвертого UKP-Workshop: Ultrafast Laser Technology.

Еще раз, семинар, организованный Фраунгоферским институтом лазерной техники ILT, был посвящен промышленному использованию ультракоротких лазерных импульсов. Это были основные исследователи, вызвавшие волнение. Используя относительно простые формулы, они продемонстрировали, как слабая «холодная абляция» пикосекундных и фемтосекундных лазеров отнюдь не холодна, когда выбранные параметры и системы не соответствуют физическим ограничениям и условиям взаимодействия пучка с материалом.

            Ультракороткие лазерные импульсы (USP) обладают огромными преимуществами: они осуществлять  абляцию с точностью до субмикрон, сразу же испаряя удаляемый материал без расплава или выплеска. Это делает их полезными для многих приложений: медицинские специалисты уже давно используют их для глазных операций, а промышленные приложения в секторах электроники и потребительских товаров уже являются важными сегментами рынка, которые обещают большой портфель приложений.

Повышение производительности в настоящее время является самой большой проблемой для USP-лазеров. Возможное решение — системы с несколькими лучами.

Fraunhofer ILT, Аахен, Германия.

            До недавнего времени основным препятствием для более широкого промышленного использования сверхбыстрых лазеров была сложность источников их пучка. С тех пор все изменилось: все крупные производители лазеров теперь предлагают надежные системы с выходным диапазоном до 100 Вт. В настоящее время кажется более трудным — как эффективно перевести эту мощность на заготовку. Не менее интересны дискуссии о системных технологиях и разработке приложений.

            Каждые два года сообщество USP встречается в Аахене, чтобы обсудить прогресс в разработке и применении ультракоротких лазерных импульсов. С этой целью UKP-Workshop: Ultrafast Laser Technology отображает все аспекты развития технологий — представление состояния технологии от основ до полностью автоматизированных систем промышленного применения.

            Не-так холодная абляция

            В течение многих лет исследователи, такие как профессор Бит Нойеншвандер из Бернского университета прикладных наук в Швейцарии, изучали термические эффекты и эффективность мощных сверхбыстрых лазеров. Он продемонстрировал, что при работе с высокой производительностью они фактически накапливают тепло на заготовке, что значительно влияет на процесс абляции. Он также разработал первоначальные обзоры, в отношении которых параметры оптимизируют абляцию по материалам.

Профессор Томас Граф из IFSW Штутгартского университета подвел теорию тепловых эффектов, используя несколько простых формул. Он также определил пределы, используя одинаково четкие слова: «Мы до сих пор не полностью понимаем, сколько тепла оставляют сзади ультракороткие импульсы», — сказал он. «В настоящее время мы работаем над симуляциями на молекулярном уровне, чтобы лучше понять происходящие процессы».

            Оба ученых согласились с одним из аспектов: термические эффекты мощных USP-лазеров абсолютно критичны для процесса абляции. Практически невозможно спланировать промышленный процесс USP без четкого понимания поглощения и передачи тепловой энергии. В последние годы исследователи изучили множество деталей, касающихся меди, стали и других материалов, но нынешнего состояния знаний недостаточно для полного понимания всех тепловых эффектов.

            Технология технологического тестирования

            В дополнение к вопросу о том, как оптимизировать процессы в отношении термических эффектов, большое обсуждение в этом году также было посвящено технологическим и системным технологиям. «Речь идет о том, как мы можем применить лазерную энергию на практике, — сказал д-р Арнольд Гиллнер, организатор семинара от Fraunhofer ILT, подводя итоги дискуссии.

Одной из сторон дебатов были представлены чрезвычайно мощные лазерные источники (EdgeWave, AMPHOS, Fraunhofer ILT) в несколько сотен ватт, в то время как другие отметили, что технология, необходимая для использования этих услуг для фактического повышения производительности, все еще находится в разработке.

            Fraunhofer ILT представила сканеры более 1000 м / с для однолучевых (Scanlab) и многолучевых процессов, где параллельно можно использовать до 600 лучей. Оба подхода в настоящее время проходят промышленное тестирование.

            По вопросу генерации и распределения пучка идея «импульс по требованию» — технология генерации любого количества импульсов в любое время — обсуждалась с некоторыми первыми решениями, а также с рядом проблем в отношении синхронизации источников пучка, сканеров и процессов.

            Однако была хорошая новость сообщить о пучке с использованием специальных волокон для сверхбыстрых лазеров (Photonic Tools PT). С порогами разрушения фотонно-кристаллических волокон более 1 ГВт / см2 это хорошее решение для большинства современных применений. Кроме того, специальные газовые наполнители в фотонно-кристаллических волокнах создают дополнительные эффекты, такие как укорочение импульса и уширение длины волны, что открывает несколько интригующих возможностей для более коротких импульсов.

Обсуждение источников пучка в очередной раз потребовало разработки большего количества систем с выходной мощностью более 100 Вт, несмотря на ограниченное в настоящее время количество промышленных применений. Положительное замечание в этом отношении заключается в том, что иттербиевые системы теперь доступны также при длительности импульсов менее 200 фс с использованием спектрального уширения, тем самым избавляясь от дорогостоящих лазеров на основе титана и сапфира.

            Технология USP для крупномасштабного производства

            Хотя дискуссия по-прежнему сосредоточена на технологиях процесса, широкомасштабные промышленные приложения, где полностью автоматизированные системы работают с USP-лазерами, уже существуют. Например, д-р Геррит Генрих из Manz AG представил полностью автоматизированную систему с двумя лазерными головками, используемыми для обработки стекла.

3D Micromac представил несколько автоматизированных систем из солнечно-энергетического  и полупроводникового секторов, которые также специально используются для обработки прозрачных материалов. Решения GF Machining Solutions продемонстрировали систему с комбинированным наносекундным и пикосекундным лазером. Эти системы ориентированы на сегмент обработки поверхности (текстурирование).

            Еще одним интересным приложением было использование технологии USP в полиграфической промышленности, представленной Schepers. Здесь, в рамках исследовательского проекта, было опробовано несколько решений USP, и большие площади обрабатывались быстро. Микроструктурирование больших поверхностей, по-видимому, показывает значительный потенциал в этом отношении.

            Куда движется тренд?

            Что касается состояния разработки системы, д-р Гиллнер прокомментировал: «Мы все еще ждем правильного машинного инструмента USP». Несколько решений для ниши зарекомендовали себя, многие новые приложения тестируются, но простая система для нескольких приложений еще не установлена в поле зрения.

            Однако одно можно сказать наверняка: будущее заключается в повышении производительности. Для этого необходимо лучше понимать термические эффекты и разрабатывать надежные решения в системных технологиях.

            Для этого требуется интенсивное сотрудничество между исследователями, разработчиками системы и пользователями, что, например, активно использует сеть инноваций UKPL. Вероятно, это будет захватывающее время, когда сообщество снова встретится на пятом UKP-семинаре: Ultrafast Laser Technology, который состоится 10 и 11 апреля 2019 года. Участники также согласились с тем, что более широкое применение USP-лазеров только началось.

Источник:

http://www.innovations-report.com/html/reports/process-engineering/quick-precise-but-not-cold.html