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Der Unterschied zwischen Nanosekundenlaser, Femtosekundenlaser und Pikosekundenlaser
Jun 21 , 2023Da die Pulsdauer des Lasers kleiner ist als die Leitungsperiode des Zielobjekts, bietet der Ultrakurzpulslaser innovative Möglichkeiten der Materialbearbeitung. Dies impliziert effektiv, dass eine Kaltverarbeitung von Dingen möglich ist, bei der die Substanz durch Sublimation entfernt wird.
Ein solcher Verdampfungsverarbeitungsansatz bietet Vorteile, die mit herkömmlichen Verfahren nicht möglich sind. Da diese Technologien jedoch kostspielig sind, sollten die Leute die Laser- und Plattformauswahl gründlich prüfen.
Die drei häufigsten Formen der Lasertechnologie sind Nanosekundenlaser, Pikosekundenlaser und Femtosekundenlaser. Jeder einzelne hat verschiedene Einsatzmöglichkeiten und Vorteile in der Lasertechnologie. In diesem Artikel werden die drei Lasertypen und ihre Funktionsweise erläutert.
Nanosekundenlaser, oft auch Nanolaser genannt, sind die am weitesten verbreitete Art von gütegeschalteten gepulsten Lasern. Die Verwendung eines Verschlusses mit erhöhter Geschwindigkeit, der in den optischen Hohlraum eingeführt wird, um die Hohlraumverschwendung kurzzeitig zu erhöhen, bis der metastabile Zustand der Verstärkungssubstanz vollständig gesättigt ist, wird als Güteschaltung bezeichnet.
Beim Einschalten des Schalters wird jeder Laserstrahl gleichzeitig entladen. Die Erschöpfungsdauer vieler Laserverstärkungssubstanzen liegt im Wellenlängenbereich von mehreren Nanosekunden (10-9 s), was zur Entstehung von Nanosekunden-Laserimpulsen führt.
Zahlreiche Operationen erfordern optische Eigenschaften eines Laserstrahls mit einer Pulsdauer im Nanosekundenbereich, wie zum Beispiel Laserablation von Materialien, Rasterelektronenmikroskopie, Entfernungsmessung und Satellitenbilder. Sie werden in vielen Situationen mit Lasern im gütegeschalteten oder verstärkungsgeschalteten Modus erzeugt.
Gütegeschaltete Laser können enorme Laserenergie erzeugen, beispielsweise viele Millijoule von kleinen Festkörperlasern und viele Joule von größeren Maschinen. Basierend auf Designparametern kann die Ausgabe in einem bestimmten Längszustand der Laserresonanz erfolgen, was zu einer extrem kleinen Linienbreite führt.
Verstärkungsgeschaltete Nanosekundenlaser können Nanosekundenpulse bei deutlich niedrigeren Pulsenergieniveaus erzeugen. Die maximale Stärke von Halbleiterlasern ist häufig auf den Bereich von 1 W beschränkt.
Einer von mehreren wesentlichen Vorteilen ist die hohe Flexibilität, sowohl die hohen Repetitionsraten als auch die Laserpulsdauer mechanisch zu verändern und die Laserpulsdauer stabil zu halten. Im Gegensatz dazu werden die hohen Wiederholungsraten über ein breites Spektrum angepasst. Darüber hinaus können solche Systeme zu einem günstigeren Preis hergestellt werden.
Nanosekundenlaser werden aufgrund des umfangreichen Spektrums an Verstärkungstechniken und Materialien in vielen verschiedenen Wellenlängen von Ultraviolett bis Infrarot, Impulsenergien im Bereich von nJ bis J und hohen Wiederholungsraten im Bereich von Hz bis MHz erzeugt. Die beträchtliche maximale Leistung und Laserpulsdauer solcher Laser machen sie für verschiedene Anwendungen wie LIBS, Nanosekunden-Laserablation, Laseridentifizierung und -markierung nützlich.
Pikosekundenlaser erzeugen optische Laserpulse mit Pulsdauern zwischen einer (10-12 s) und mehreren zehn Pikosekunden. Damit fällt er in die Kategorie der ultraschnellen bzw. ultrakurzen Laserpulse.
Bestimmte laserbasierte Generatoren von Pikosekunden-Laserpulsen und -Wellenlängen, wie z. B. kontinuierlich gepumpte OPOs, werden oft als Pikosekundenlaser bezeichnet, obwohl es sich technisch gesehen nicht um Pikosekundenlaser handelt.
Mehrere Lasersysteme können Pikosekunden-Laserimpulse erzeugen, wobei mehrere andere Lasereffizienzparameter sehr unterschiedlich sind. Sie können für verschiedene Zwecke eingesetzt werden, einschließlich Laserablation von Materialien, medizinische Anwendungen, OPO-Pumpen usw.
Ein Femtosekundenlaser erzeugt optische Pulse mit Laserpulsdauern weit unter 1 Pikosekunde im Femtosekundenbereich (10-15 s). Daher wird er als Ultrakurzpulslaser oder Ultrakurzpulslaser klassifiziert.
Zur Erzeugung dieser kurzen Femtosekunden-Laserpulse wird fast typischerweise die Methode der latenten Modenkopplung verwendet. Dadurch entstehen Pulsmuster mit erheblicher Pulsenergie und Wiederholfrequenzen im MHz- oder GHz-Frequenzbereich.
Es führt, gebildet mit der eingeschränkten mittleren Ausgangsleistung, zu relativ kurzen Pulsenergien, häufig im Nanojoule-Bereich. Die Verwendung eines optischen Verstärkungsgeräts, das zu einem Femtosekundenlaser beiträgt, ermöglicht eine viel größere Impulsenergie bei einer geringeren Wiederholungsfrequenz, typischerweise um ein Vielfaches größer.
Lasermikrobearbeitung und Laserablation werden seit langem versucht. Bei der Laserablation handelt es sich um eine Technik, bei der Material aus einem bestrahlten Bereich entfernt wird, indem ein Laserlicht auf die Oberfläche des Materials fokussiert wird. Mehrere technologische Anwendungen haben den Laserablationsprozess erforscht und eingesetzt.
Aufgrund der längeren Pulsbreite und der geringeren Effizienz des Lasers lösen sich die Materialien jedoch ständig auf und verdampfen. Auch wenn die Laserimpulse möglicherweise auf einen begrenzten Bereich fokussiert werden, ist die Wärmewirkung auf die Substanz immer noch erheblich und schränkt die Schnittgenauigkeit ein.
Die einzige Möglichkeit, die Verarbeitungsqualität zu steigern, ist die Reduzierung der Wärmeeinflusszone. Die Betriebsleistung ändert sich dramatisch, wenn ein Laserpuls von Pikosekundendauer auf eine Substanz trifft. Die durch den sprunghaften Anstieg der Pulsenergie erzeugte hohe Laserleistung reicht aus, um die Elektronen in der Außenhülle abzureißen.
Da die Kontaktzeit zwischen den Laserpulsen und dem Grundmaterial so kurz ist, werden Ionen durch Laserablation der Probenoberfläche effizient entfernt, bevor die Laserpulsenergie auf die umgebende Oberfläche übertragen wird, was zu einer vernachlässigbaren Wärmewirkung auf das darunter liegende Metall führt. Man spricht deshalb auch von „Kaltverformung“. Nanosekundenpulse, Femtosekundenlaserpulse und Pikosekundenlaser haben aufgrund der Vorteile der Kaltumformung Eingang in die industrielle Produktion und Nutzung gefunden.
Der ultrakurze Laserpuls erzeugt Energie und wird schnell in einen begrenzten Aktivitätsbereich eingespeist. Die unmittelbare Anwendung mit hoher Leistungsdichte verändert den Elektronenempfang und die Elektronenmobilität, eliminiert die Folgen der Laser-geraden Absorption, der Impulsenergiebewegung und -diffusion und verändert den Laser-Materie-Reaktionsmechanismus erheblich.
Nach der Zentrierung bestrahlt ein Laserstrahl mit erhöhter Energie das Substrat des Materials. Grundsätzlich handelt es sich um einen thermischen Verarbeitungsmechanismus, der Prozess ist jedoch aufgrund der kurzen Reaktionszeit, die im Allgemeinen innerhalb weniger Nanosekunden liegt, effektiver. Dadurch wird die Wärmeeinflusszone begrenzt und die laserinduzierte Schlagkraft und Geschwindigkeit gewährleistet.
Pikosekunden- und Femtosekundenlaser mit verkürzter Laserpulsdauer bieten erhebliche Vorteile im Bereich der Laserablation und werden heute als ultraschnelle Laserablationstechniken mit höherer Präzision bezeichnet. Da der Pikosekundenlaser eine ultrakurze Laserpulsdauer hat und die Reaktionszeit einer einzelnen Frequenz nur wenige Pikosekunden beträgt, ist seine thermische Belastung sehr gering, wenn nicht gar nicht vorhanden.
Im Gegensatz zur Nanosekundenlaser-Mikrobearbeitung werden die Materialien beim Pikosekundenlaser während des gesamten Prozesses nicht nachbearbeitet. Der Vorgang verläuft reibungsloser und der Energieverbrauch des Lasers ist weniger abhängig von der Substanz oder der Wellenlänge. Gleichzeitig wird die Operationsdauer verkürzt, die Präzision erhöht und die Rechenleistung erhöht.
Das Pikosekundenlaserverfahren übertrifft den Nanosekundenlaser in Bezug auf Bearbeitungseffizienz und Schnelligkeit. Der Pikosekundenlaser hat sogar ein enormes Anwendungspotenzial. Darüber hinaus dominiert der Nanosekundenlaser weiterhin das bedeutende Laserablations- und -bearbeitungsgeschäft. Die Ursache dafür sind die enormen Kosten für Pikosekunden-Laserschneidgeräte.
Der Schwerpunkt liegt auf Pikosekunden- und Femtosekundenlasern. Diese Laser sind auf die Bearbeitung von Materialien mit einer Dicke von nur 250 Mikrometern spezialisiert. Dichtere Substanzen können behandelt werden, Käufer sollten jedoch die Verarbeitungszeit sorgfältig abwägen. Die Betriebsunterschiede zwischen Pikosekunden- und Femtosekundenlaser können in einigen Fällen geringfügig und in anderen offensichtlich sein.
Bei der Behandlung von Metallen ist der Unterschied gering. Der Femtosekundenlaser hat keine rauen Oberseitenkanten, deutlich präzisere Details und geringere Oberflächenunregelmäßigkeiten. Der Femtosekundenlaser kann auch mit einer größeren Vielfalt an Polymeren arbeiten. Pikosekundenlaser benötigen im Allgemeinen ein grünes oder UV-Spektrum, um Polymere effizient zu behandeln.
Der Kontrast zwischen Pikosekunden- und Femtosekunden-Laserleistung wird mit dem Material verglichen. Ein Femtosekundenlaser ist eine offensichtliche Option, wenn nur höchste Qualität erforderlich ist. Pikosekundenlaser hingegen neigen dazu, schneller zu verarbeiten.
Es gibt mehrere Optionen für ultrakurze gepulste Laserwellenlängen mit hoher Laserenergie, von denen einige für bestimmte Materialien eine bessere Leistung erbringen. Der Pikosekunden- und der Femtosekundenlaser umfassen jeweils Infrarot-, Grün- und Ultraviolett-Spektrumsoptionen. Für andere Substanzen funktionieren unterschiedliche Wellenlängen gut, die Menschen manchmal je nach Bereich der erforderlichen Eigenschaften und Vorteile wählen können.
Die kleinstmögliche Fokuspunktfläche ist proportional zur Wellenlänge. Unter der Voraussetzung, dass alle anderen Variablen konstant bleiben, konzentriert sich ein UV-Laser auf eine Oberfläche, die ein Drittel der Größe eines IR-Lasers beträgt. Jeder Femtosekunden- und Pikosekundenlaser kann mehrere Wellenlängen von demselben Lasergerät liefern.
Bei Femtosekundenlasern sind der Zweck und die Gründe für verschiedene Wellenlängen, die für bestimmte Metalle geeignet sind, weniger offensichtlich. Mehrere Experten gingen zunächst davon aus, dass bei einer so kurzen Pulsdauer die herkömmliche Absorptionsabhängigkeit von der Wellenlänge möglicherweise nicht mehr auftritt und der Prozess der Mehrfachphotonenabsorption die Oberhand gewinnen würde.
Für bestimmte Polymere, beispielsweise Polymerkatheter, wurde dies nicht nachgewiesen. Femtosekundenlaserpulse verbessern nicht nur die Bearbeitungsleistung und die Präzision beim Materialschneiden, sondern verfügen auch über einen größeren Bearbeitungsbereich und eine größere Ablationsschwelle als Infrarot. Das grüne Spektrum kann ein stabileres System zum Schneiden winziger oder blinder Details auf Polymeren bieten, sogar im Präzisions-Mikrometerbereich.
Ihr charakteristisches Merkmal ist die Einbeziehung von Femtosekunden-Laserpulsen in die Produktion und die Fähigkeit solcher Laser, Materialien mit erhöhter Maßgenauigkeit zu bearbeiten. Daher besteht das anfängliche Entwurfskriterium darin, dass dieser Grad an Genauigkeit unterstützt wird.
Dennoch bietet selbst die leistungsstärkste Technologie der Welt kein zuverlässiges System, wenn die Umgebung, in der sich die Maschine befindet, instabil ist, insbesondere im Hinblick auf Temperaturschwankungen. Temperaturschwankungen von mehr als mehreren Grad führen zu Problemen bei Passungen und Phasen sowie bei der Zielgenauigkeit und der präzisen Entfernung des Lasers. Daher müssen die Geräte in einer klimatisierten und klimatisierten Umgebung aufbewahrt werden.
Nur durch Teileprüfung lässt sich der ideale Laser für den Einsatz ermitteln. Einige Firmen führten häufig Experimente mit Nanosekunden-, Pikosekunden- und Femtosekundenlasern und unterschiedlichen Photonenenergien für alle Laser durch, um den Zweck und die Ausrüstung festzulegen.
RFH Laser ist ein bekannter Lasermarkenlieferant in China
RFH 5W Nanosekunden-Puls-UV-Laser, der Holz tief graviert
Um der Marktnachfrage gerecht zu werden, hat RFH einen neuen UV-Laser der S9-Serie entwickelt. Im Vergleich zu seinen Arten zeichnet sich der UV-Laser der S9-Serie durch einen robusten, versiegelten Hohlraum, eine äußerst kompakte Größe, einfache und robuste Bauweise, hohe Stabilität, hohe Effizienz, hohe Zuverlässigkeit und hervorragende Laserstrahlqualität aus Reduziert den Platz- und Kostenaufwand erheblich und erleichtert den Einbau in UV-Laserbeschriftungsmaschinen . Darüber hinaus bietet die Hohlraumstruktur der S9-Serie mehr Stabilität und eine hervorragende Skalierbarkeit, was bedeutet, dass mit demselben Laserhohlraum Laser mit mehreren Leistungen hergestellt werden können und die Stabilität verschiedener Leistungsbereiche erheblich verbessert wird
