Ultrakrátké pulzy na Laser - World of Photonics

Z pohledu průmyslových technologií představil veletrh novinky prakticky u všech typů laserů. Přece jen dominantní však mezi nimi byla nová generace diodových výkonových laserů pro přímé aplikace i čerpání pevnolátkových laserů a pak, a to zvláště pro uživatele, zásadní posun ve vývoji a dostupnosti tzv. studených laserů, laserů s ultrakrátkými pulzy (UKP) a vysokou hustotou výkonu. Ty při stále kratších pulzech – v průběhu stovek fs až jednotlivých ps, dovolují opracování i citlivějších materiálů a při svém krátkém pulzu prakticky tepelně nijak neovlivňují okolí operace. I extrémně vysoký špičkový výkon v hodnotě stovek MW působí při tak malé délce pulzu na absorpci a ionizaci takovým způsobem, že prakticky nedochází k efektu vedení tepla. Tím se nemění ani struktura okolní zóny operace a přesnost při obrábění tak dosahuje až submikrometrových rozměrů. Při extrémně rychlém odpaření materiálu nedochází ani k nežádoucím vedlejším efektům, jako je tvorba tavenin, otřepů nebo rysek, řezy jsou bez otřepů a s minimální drsností.

Např. při řezu miniaturních dílů podoby ozubeného kolečka se dosáhlo drsnosti u oceli Ra = 0,5 a vyřezaný díl už nemusel procházet žádnou dokončovací operací. Obdobných parametrů drsnosti bylo dosaženo i při děrování vysokolegované oceli tloušťky 1 mm, kde se při průměru v rozsahu 50 až 500 µm pracovalo s přesností 1 µm. Užití UKP laserů má svůj smysl i při strukturování povrchů, kde doposud byl úkon laseru negativně limitován možným tepelným ovlivněním povrchu. Při strukturalizaci vícevrstvých struktur v polovodičové technice (a podobně je tomu i u solárních článků nanesených postupně na substrátu) tak umožňuje UKP laser např. i selektivní úběr na horních vrstvách povrchu, aniž by došlo k jakémukoliv poškození spodních vrstev. UKP lasery jsou vhodné i pro opracování kompozitních materiálů, kde u předchozích typů laserů mohlo při řezu docházet k opalu nebo delaminaci hran. U metalických povrchů efektivně nahrazují elektroerozivní metody.

„Studený“ laserový proces má i několik dalších vlastností. Nedochází při něm k negativnímu vlivu tepelné indukce, což se příznivě projevuje nejen např. při zpracovávání nízkotavných polymerů, ale opačně i křehkých materiálů, jako je sklo nebo keramika, kde nedochází k tepelnému pnutí materiálu. Dosažená hustota výkonu v ohnisku laserového fs paprsku umožňuje dokonce opracovávat i takové materiály, které dosud byly pro danou vlnovou délku v podstatě transparentní.

A jak je to s tržní dosažitelností fs laserů? Na těch s menším výkonem, řádově pod 1 W a s uplatněním především v oblasti vědy nebo biofotoniky, včetně medicíny, pracuje už delší dobu řada organizací. Z těch u nás známých jsou to např. Toptica, Lumera, Horiba, Coherent nebo Zeiss. Vývojem femtosekundových laserů větších výkonů pro průmyslové aplikace se dlouhodobě zabývá zvláště Fraunhofer Institut ILT, kde při vlnové délce 1 064 nm dosáhli středního výkonu už i přes 1 kW a v zelené části spektra 400 W. Na tomto vývoji pokračují spolu s ILT v rámci projektu „Femtosekundenlaser höchster Leistung“ (FOKUS) a se zaměřením na potřeby výzkumu a zákaznické aplikace i od ILT odvozené firmy Edge Wave, založená v roce 2001, a nově i firma AMPHOS (Aachener Manufaktur für Photonische Systeme). V uvedeném projektu, jehož nositelem je VDI-TZin Düsseldorf, jde o další práce na vývoji laserů výkonově do 1 kW a s délkou pulzu 100 fs až 10 ps, včetně optimalizace postupů aplikací z hlediska bezztrátového přenosu výkonu do obrobku. To je úkolem především ILT, kde se v současnosti pracuje na novém skenovacím systému laserového paprsku s rychlostí více než 300 m.s^-1 a na rozšiřování multipaprskové technologie.

Průmysl si dosud postupně zvykal na pikosekundové lasery s až 150 W středního výkonu v infračervené oblasti, 100 W v zelené části spektra a 15 W v UV části. S letošním rokem však přicházejí poprvé do průmyslových technologií po počátečních mW výkonech už i dostatečně výkonné femtosekundové lasery, které v posloupnosti výkonů lze tak spatřovat u Spektra-Physics typ Spirit (střední výkon 8 W, délka pulzu 400 fs, energie 40 μJ), Swisstec Micromachining-MFT 80 (10 až 20 W, 600 fs, 10–25 µJ,) Jenoptic JenLas D2 (2 W, 400 fs, 40 μJ), Pharos (až 15 W, 190 fs–10 ps, 200 μJ), IMRA (20W, 50 μJ), Rofin StarFemto FX (300 fs–10 ps, 200 μJ), Trumpf TruMicro 5050 Femto Edition (40 W, 800 fs, 200 mJ).

Není žádným tajemstvím, že na vývoj UKP laserů, zvláště pak femtosekundových, působí hlavně požadavky výrobních technologií elektroniky při zvyšování hustoty obvodů a zpracovávání nových citlivých materiálů. Oblíbenou citací je tu odkaz na Moorův zákon, podle něhož každých 18 měsíců se v procesorech zdvojnásobí počet tranzistorů, čemuž by měla odpovídat i technologie, jak toho stavu dosáhnout. U laserů se už řadu let jedná o technologiích v EUV – extrémně ultrafialové oblasti –, kdy místo dnes v krajním případě užívané vlnové délky 193 nm by EUV technologie, včetně litografie, měly využívat vlnovou délku 13 nm. Zatímco různé teoretické propočty, např. na Ludwig-Maximilians-Universität v Mnichově (LMU), vidí do budoucna teoreticky možnost získat koherentní světlo s vlnovou délkou, která je už v rozsahu tvrdých rentgenových nebo dokonce gamma paprsků, s pulzy o trvání 0,1 as (1 attosekunda = 10-18 s) a hustotě výkonu až 1024 W.cm^-2 , praktická cesta k EUV není nijak jednoduchá. EUV záření má svá odlišná specifika, je dobře absorbované všemi materiály včetně vzduchu, a proto celý proces musí probíhat ve vakuu. Jiné jsou i nároky na masky elektronických obvodů a užívanou optiku, kde např. pro vysokoreflexní zrcadla s odrazivostí až 70 % musely být vyvinuté speciální siliciummolybdenové vrstvy s odolností pro teplotu až do 400 oC. Za dobu, odkdy se o postupech s EUV začalo uvažovat, byly pro tato řešení sestaveny i různé společné výzkumné aliance. Dokonce už kolem roku 2003 vznikl prototyp EUV laseru od Lambda Physik a vyskytlo se i několik návrhů vhodných laserových zdrojů, které ale doposud nepřinášely konečné řešení. Zdá se, že úspěšným by mohl být nyní postup, který pro tento účel vyvinula a na veletrhu představila firma Trumpf, dnes prakticky výrobce všech typů průmyslových laserů. Vycházela přitom ze svého komerčního 10kW CO2 laserového systému, který upravila na pulzní s pěti zesilovacími stupni tak, že na výstupu dává v pulzu střední výkon 20 kW a na špičce dosahuje výkonu několika MW. V rámci postupu Laser-Produced-Plasma dochází pak k vývoji plazmatu o centrální vlnové délce 13,8 nm, charakteristické pro EUV. Podle sdělení na veletrhu začal Trumpf už tento svůj systém dodávat výrobcům litografických zařízení, a tak nebude dlouho trvat a s technologií EUV se setkáme i prostřednictvím nových výrobků elektroniky.

Pozorný čtenář si jistě i z tohoto krátkého článku všiml, že výzkum v oblasti fotoniky či optofyziky, ať už badatelský nebo aplikovaný, probíhá na různých místech a s různou intenzitou a jen zřídka koordinovaně. Diskuse se např. vedly i na téma, zda ultrakrátké pulzy paprsku mohou následovat pouze až po určitém výkonu laseru, či opačně, zda vyšší intenzita v pulzu může být až následkem kratší délky pulzu. Lepší stupeň informovanosti v tomto směru a užší provázanost výzkumu si Evropská unie slibuje od existence našeho nově budovaného Centra laserového výzkumu ELI. To by se po svém dokončení do dvou let mělo stát prvním zařízením na světě poskytujícím i experimentální čas studiím, které využívají ultrakrátkých relativistických svazků a synchronizovaných vysoko-intenzivních laserů, elektronových svazků, zdrojů rentgenového záření a attosekundových zdrojů, jak individuálně, tak i ve vzájemných kombinacích.

Ing. Jiří Šmíd
Mnichov, Německo

Tab. Vývoj světového trhu u průmyslových laserových systémů

iia.smid@gmail.com