Лазерный мир

Сложные настольные системы, заполненные пользовательскими сборками и множеством дискретных оптических элементов, требующих ежедневного внимания, уступили место моноблочным системам, адаптированным к быстро меняющемуся миру фемтосекундных приложений. Ранними примерами этого перехода являются перестраиваемые лазеры для многофотонной микроскопии, за которыми быстро последовали мощные промышленные моноблочные лазеры, разработанные для поддержки приложений микрообработки, от резки стентов до обработки OLED.

Фемтосекундные лазерные импульсы могут генерировать небольшое количество света второй гармоники на границе раздела двух материалов или из любого нецентросимметричного материала.  Генерируемый световой сигнал второй гармоники может неразрушающим образом обнаруживать и отображать особенности на поверхности и под поверхностью полупроводниковых пластин, такие как структурные дефекты, качество пленки и даже следы загрязнения металлом. Предоставлено FemtoMetrix.

Сегодня последние примеры этой эволюционной тенденции включают семейство герметичных лазеров размером с обувную коробку в диапазоне мощностей <5 Вт с фиксированными длинами волн в ключевых рабочих точках, включая 780, 920 и 1064 нм. Эти удобные в использовании лазеры дополнительно обеспечивают параметры, важные для применения, такие как короткая длительность импульса и высокое качество луча, предварительная компенсация для оптимизации конечной ширины импульса, а также быстрая модуляция и управление выходной мощностью.

Это новое поколение сверхбыстрых лазеров было специально оптимизировано для удовлетворения потребностей пользователей на конечных рынках, таких как аддитивное производство, медицина, метрология полупроводников и прикладные исследования.

Наноразмерное изготовление

Лазеры находят применение в ряде процессов аддитивного производства (АП), включая лазерное спекание металлов и стереолитографию полимеров. Каждый из этих процессов позволяет создавать сложные и уникальные структуры без использования масок или форм. Аддитивное производство особенно ценно для мелкосерийного производства, такого как быстрое прототипирование деталей или изготовление индивидуальных медицинских имплантатов.

Появляющийся метод AM представляет собой тип стереолитографии, называемый двухфотонной полимеризацией, который быстро набирает интерес по нескольким причинам. Во-первых, он обеспечивает более высокое пространственное разрешение, чем любой другой метод AM. Во-вторых, это трехмерный процесс произвольной формы, поэтому он не ограничен технологическими ограничениями лазерного спекания или однофотонной стереолитографии, когда деталь должна создаваться слой за слоем снизу вверх или сверху вниз.

Появление компактных фемтосекундных лазеров, работающих без помощи рук, делает такие методы, как двухфотонная полимеризация, более экономически выгодными для ряда отраслей и приложений.

Как лазерная технология достигает этого? В стереолитографии лазерный луч фокусируется в ванне со светочувствительной смолой. Когда свет с правильной длиной волны (обычно в ультрафиолетовом диапазоне) попадает на эту смолу, он разрывает связи полимера, и материал становится реактивным, образуя твердый полимер из жидкого мономерного химического вещества.

Двухфотонная полимеризация, трехмерная технология аддитивного производства произвольной формы со сравнительно высоким пространственным разрешением, позволяет производить чрезвычайно мелкие детали и элементы. Новые фемтосекундные лазеры делают методы двухфотонной полимеризации более экономически выгодными. Предоставлено лабораторией Wildman/Ноттингемского университета.

Этот процесс позволяет создавать практически любую форму непосредственно из файла САПР, а исходные материалы не являются дорогими. В двухфотонном подходе сверхбыстрый лазер предназначен для удвоения нормальной длины волны, которую смола обычно поглощает. Используя оптику с высокой числовой апертурой (NA), луч фокусируется на крошечную талию. При этой перетяжке и только при этой перетяжке пиковая мощность сверхбыстрых импульсов достаточно высока, чтобы вызвать двухфотонное поглощение.

Этот подход обеспечивает непревзойденное разрешение по двум причинам. Во-первых, использование оптики с высокой числовой апертурой приводит к узкой талии микронного масштаба, а во-вторых, поскольку двухфотонное поглощение зависит от квадрата пиковой мощности, подаваемая лазерная мощность может быть отрегулирована так, что только небольшая центральная область в пределах лучевая талия вызывает полимеризацию. Таким образом, процесс может обеспечить субмикронное пространственное разрешение, и исследователи из Гонконга сообщили о создании элементов размером около 100 нм, которые еще больше ускорили процесс, используя программируемые зеркальные массивы для создания многолучевого процесса 1 .

Новый класс фемтосекундных лазеров хорошо подходит для этого приложения. Эти лазеры, работающие на длине волны 780 нм, сочетают в себе высокую мощность, короткую ширину импульса и предварительную компенсацию дисперсии для обеспечения высокой плотности потока энергии в фокальной плоскости. Эти параметры обеспечивают гораздо более эффективный процесс полимеризации с более высоким разрешением, чем у лазеров с большей длительностью импульса. Точное управление процессом дополнительно усиливается удобной функцией управления мощностью. Ранние применения этих новых лазеров включают изготовление продуктов «лаборатория на кристалле» и микроструктурированных поверхностей, а также новых фотонных продуктов, таких как кристаллы с микроструктурой.

Визуализация in vivo без меток

Микроскопия с многофотонным возбуждением является широко используемым инструментом в исследованиях в области наук о жизни. Как и в случае с двухфотонной фотополимеризацией, он основан на пространственно-селективном взаимодействии с образцом только тогда, когда узко сфокусированная перетяжка луча использует высокую пиковую мощность фемтосекундных импульсов.

Ключевой тенденцией здесь являются поступательные исследования, когда ученые медленно, но верно продвигают многофотонные методы к приложениям в клинических лабораториях и, в конечном итоге, к приложениям в реальном времени, таким как интраоперационная биопсия. По очевидным причинам целевыми методами являются те, которые не требуют флуоресцентных меток или трансгенных белков, таких как зеленый флуоресцентный белок, для создания изображения. Эти методы включают генерацию второй гармоники (SHG) для изображения коллагена, где 920 нм является подходящей длиной волны; генерация третьей гармоники (THG) для мембран изображений, где хорошо подходит длина волны 1064 нм; и возбуждение эндогенной флуоресценции для изображения различных биомолекул и метаболитов, где хорошо работает длина волны от 780 до 800 нм.

Оптика с высокой числовой апертурой фокусирует фемтосекундный лазерный луч в узком месте, где пиковой мощности сверхбыстрых импульсов достаточно для двухфотонного поглощения. Технология аддитивного производства обеспечивает субмикронное пространственное разрешение и позволяет создавать детали размером всего 100 нм. Предоставлено лабораторией Wildman/Ноттингемского университета.

В то время как для микроскопии SHG и THG требуется фемтосекундный лазер, лазер непрерывного действия, работающий в видимом или ультрафиолетовом диапазоне длин волн, также может возбуждать эти нативные флуорофоры, но за счет некоторой глубины изображения и вероятности повреждения клеток. Итак, преимущество фемтосекундного возбуждения очевидно.

Ключевые эндогенные флуорофоры включают восстановленный никотинамидадениндинуклеотид (NADH) и флавинадениндинуклеотид (FAD) — метаболиты, которые можно использовать в качестве сигнатур рака. Давно известно, что раковые клетки предпочтительно используют гликолиз вместо окислительного фосфорилирования для удовлетворения своих энергетических потребностей. Это проявляется в отчетливой разнице в соотношении НАДН и ФАД при сравнении нормальных и раковых клеток. НАДН эффективно возбуждается за счет двухфотонного поглощения на длинах волн от 700 до 800 нм, а спектр поглощения ФАД простирается до 890 нм.

Ранние исследования с использованием этих метаболитов основывались на двух разных длинах волн сверхбыстрого лазера, что нецелесообразно для диагностики или работы в местах оказания медицинской помощи. К счастью, за последние пару лет исследователи показали, что один сверхбыстрый лазер, работающий в диапазоне длин волн от 780 до 800 нм, может возбуждать и отображать оба вида с одинаковой эффективностью, потому что более сильная флуоресценция НАДН может возбуждаться также в «красном» диапазоне. конец его спектра. Более того, те же исследователи продемонстрировали, что соотношение NADH/FAD, полученное таким образом, является надежным маркером для двух разных клеточных линий рака предстательной железы 2 .

Опять же, новейшие компактные фемтосекундные лазеры, работающие на длине волны 780 нм, хорошо подходят для этой потенциально очень важной области применения. Как и в случае с двухфотонной полимеризацией, другие важные параметры лазера для визуализации in vivo без меток включают в себя превосходное качество луча для максимального пространственного разрешения, короткие импульсы для минимизации средней мощности лазера, необходимой для флуоресценции, и внутренние регуляторы мощности для упрощения процесса сканирования. например, для гашения при растровом сканировании.

Усовершенствованная метрология пластин

Сверхбыстрые лазеры также становятся все более важными в области передовой метрологии пластин. Установленный набор методов, называемый пикосекундной лазерной акустикой (PLA), измеряет толщину слоя и отображает важные маркеры совмещения под непрозрачными слоями. Последняя возможность важна в процессах многослойной литографии.

В методе ИЛА поглощение лазерного импульса (т. е. накачка) создает акустическую волну, которая движется внутрь от поверхности лазера. Нижележащие слои и структуры отражают часть этой акустической энергии обратно на поверхность, где она обнаруживается по изменению коэффициента отражения для второго лазерного импульса (т. е. зонда).

PLA выигрывает от нового поколения компактных фемтосекундных лазеров, поскольку эти лазеры обеспечивают получение изображений с более высоким разрешением и улучшенные общие измерения.

Терагерцовое излучение ультракоротких лазерных импульсов и фотопереключателя характеризуется высокой интенсивностью и широким непрерывным спектром. Предоставлено компанией Coherent.

Новейший метод неразрушающей метрологии пластин, обеспечиваемый фемтосекундными лазерами, зависит от варианта процесса генерации гармоник, используемого для безметочного микроскопического изображения клеточных мембран. Поверхность раздела между двумя материалами или любым нецентросимметричным материалом может генерировать небольшое количество света второй гармоники в процессе с нелинейной зависимостью от пиковой мощности лазера. Световой сигнал SHG можно использовать для отображения и обнаружения различных особенностей и свойств поверхностей и подповерхностей пластин. Такие особенности могут включать структурные дефекты, качество пленки и даже следы загрязнения металлами. Этот метод был успешно коммерциализирован FemtoMetrix, компанией, специализирующейся на метрологии оптических невизуальных дефектов для поверхностных, скрытых и структурных неровностей.

Терагерцовая генерация и обнаружение

Терагерцовое излучение может предоставить уникальную спектроскопическую информацию или информацию о изображениях в твердых и жидких материалах. Низкие оптические частоты в этом диапазоне связаны с колебаниями наноразмерных частиц — например, макроскопических молекул, таких как полимеры и белки, а также с фононными колебаниями протяженных структур, таких как кристаллы. Таким образом, терагерцовые исследования полезны, например, для картирования фазовых границ. Однако терагерцовый диапазон частот десятилетиями оставался забытой частью электромагнитного спектра, потому что не было простого способа генерировать или обнаруживать терагерцовое излучение.

Сегодня фемтосекундные лазерные импульсы могут использоваться в нескольких типах механизмов для генерации и регистрации терагерцового излучения.

Один метод фокусирует фемтосекундные лазерные импульсы на фотопроводящей антенне (или переключателе), состоящей из полоски диэлектрического материала, такого как арсенид галлия (GaAs), зажатой между двумя металлическими (например, золотыми) проводниками, к которым приложено напряжение смещения. Подобная структура также используется в качестве терагерцового детектора. Другой метод генерации терагерцового излучения, называемый оптическим выпрямлением, фокусирует лазер на нелинейном кристалле, таком как фосфид галлия (GaP) или теллурид цинка (ZnTe), чтобы вызвать генерацию разностной частоты между различными спектральными компонентами в терагерцовом импульсе.

Генерация терагерцовых импульсов с помощью фемтосекундных лазерных импульсов имеет ряд преимуществ по сравнению с генерацией с помощью методов непрерывного излучения. Терагерцовое излучение, создаваемое ультракороткими лазерными импульсами, имеет относительно высокую интенсивность. Он одновременно охватывает широкую и непрерывную часть терагерцового спектра, а его импульсный характер поддерживает аналитические методы, такие как спектроскопия, зависящая от времени. В результате импульсное терагерцовое излучение уже находит применение для получения изображений в таких различных областях, как медицинская диагностика раковых тканей, неразрушающая оценка фармацевтических препаратов, определение взрывоопасности, изучение искусства и археологии, а также задачи проверки в области обороны и безопасности.

Генерация терагерц с помощью оптического выпрямления может привести к импульсам высокой средней мощности с большой (частотной) полосой пропускания, если они генерируются очень короткими импульсами от титан-сапфирового усилителя с частотой от 1 до 5 кГц или иттербиевого усилителя с нелинейным расширением с мегагерцовой частотой повторения.

Фотопроводящие антенны, напротив, ограничены более низкими мощностями возбуждения из-за возможности оптических повреждений и эффектов насыщения. Эти антенны, однако, являются самым простым и наименее дорогим способом получения терагерцового импульсного излучения. В то время как большинству антенн требуется только мощность лазера от 20 до 50 мВт, компактные фемтосекундные лазеры, излучающие один ватт на мозаичных решетках антенн, могут обеспечить более высокую мощность терагерцовой генерации в экономичной установке. Такие установки, в свою очередь, потенциально могут расширить применение терагерцовой спектроскопии во временной области (TDS) от небольших лабораторных установок до более крупных промышленных и медицинских приложений для визуализации.

Как фемтосекундные лазеры следующего поколения вписываются в эту терагерцовую картину? Их короткая ширина импульса позволяет использовать более широкий спектр терагерцового излучения. Их высокая средняя мощность около 1 Вт полезна для любого метода генерации терагерцового диапазона, поскольку оба они являются неэффективными механизмами, требующими высокой входной мощности.

Не менее важны и практические аспекты новых фемтосекундных лазеров, такие как их компактность и надежность. Для некоторых новых приложений требуются портативные или, по крайней мере, переносные системы, чтобы поддерживать широкое распространение этих лазеров. Эти небольшие недорогие источники с воздушным охлаждением, требующие минимального технического внимания, могут быть легко интегрированы в более полные системы, где они могут быть установлены в любом необходимом положении.

Размышления о будущем

Хотя фемтосекундные лазеры часто считаются одними из самых экзотических типов когерентных источников, их разработка и применение имеют общие черты со всеми другими лазерными технологиями. Они последовательно перешли от объектов исследования к исследовательским инструментам и в конечном итоге нашли применение в качестве компонентов в других инструментах и ​​системах. Как и в случае с другими лазерными технологиями, эволюция фемтосекундных источников была обусловлена ​​быстро расширяющейся областью практического применения, охватывающей науки о жизни и промышленную диагностику, а также производственные процессы.

Ссылки

1. Q. Geng et al. (2019). Сверхбыстрое многофокусное трехмерное наноизготовление на основе двухфотонной полимеризации. Нац Коммун , Том. 10, № 2179, www.doi.org/10.1038/s41467-019-10249-2 .

2. Р. Цао и др. (2020). Многофотонное FLIM-изображение NAD(P)H и FAD с одной длиной волны возбуждения. J Biomed Opt , Vol. 25, № 1, www.doi.org/10.1117/1.jbo.25.1.014510 .

Познакомьтесь с авторами

Дэррил Маккой — директор по маркетингу продукции компании Coherent Inc., где он управляет сверхбыстродействующими перестраиваемыми и волоконными лазерами для рынка нелинейной микроскопии и приборов; Электронная почта: darryl.mccoy@coherent.com .

Марко Арригони — директор по сегментному маркетингу в Coherent Inc., где он курирует рынки научных исследований и обороны. Он получил степень магистра электротехники в Политехническом университете Милана. Арригони присоединился к Coherent в качестве инженера по лазерным исследованиям и разработкам в 1988 году; электронная почта: marco.arrigoni@coherent.com.

Источник: https://www.photonics.com/Articles/A_New_Generation_of_Femtosecond_Lasers_Packs/a67903