פיקו לייזרים עתירי אנרגיה: מוכנים לפריים טיים

Kurt Weingarten, Lasersystems

מערכות פיקו לייזר עם אנרגיית פולס גבוהה מספקות אמינות ברמה תעשייתית יחד עם תכונות הביצועים שדרושות ליישומים רבים של עיבוד חומרים אולטרה מהיר. מערכות המצב המוצק עם משאבת דיודה הקיימות מספקות אנרגיות פולס בתחום של מאות מיקרו ג’ול באורך גל של 1064 נ”מ (ננו-מטר) ורוחבי פולס של בערך 10 פיקו שניות, המאפשרות צריבה (אבלציה) “קרה” אפקטיבית של רוב החומרים ביעילות גבוהה. ההספק הממוצע של המערכות האלה ניתן לשינוי עד 50 ואט ויגדל עוד לתחום של מאות ואט, ויאפשר מיקרו עיבוד באמצעות פיקו לייזר (פיקו מיקרו עיבוד)  מהיר מאוד.
המאמר הזה סוקר  תחילה את היסודות של פיקו מיקרו עיבוד, נותן פרספקטיבה קצרה על ההתפתחות של הלייזרים האלה בעשורים האחרונים, ולאחר מכן מסכם את הביצועים הנוכחיים שלהם. אנו סוקרים כמה מהיישומים שהלייזרים האלה מאפשרים, לפני שנדון בהתפתחויות העתידיות בתחום הזה המשתנה במהירות.
היסודות של
פיקו מיקרו עיבוד
צריבה קרה נחקרת בעשרים השנה האחרונות לערך. לכל החומרים יש סף צריבה, כלומר נקודה שבה הם מתאדים ישירות כשפוגעת בהם קרן לייזר בעלת עוצמת שיא אופטית מספקת. באנרגיית פולס נתונה, משיגים עוצמת שיא גבוהה יותר ככל שרוחב הפולס מתקצר. בנוסף, סף שטף האנרגיה (אנרגיה ליחידת שטח) של הצריבה קטן כפונקציה של רוחב הפולס. סף הצריבה הזה מגיע לערך מעשי של בערך 1 J/cm2 (ג’ול לסנטימטר רבוע) ברוחב פס של 10 פיקו שניות, באופן טיפוסי בערך פי שניים מערך המינימום שנצפה בטווח שמתחת לפיקו שניות.
שטף האנרגיה הנמוך של הצריבה באמצעות פולסים של פיקו שניות משמעו שדרושה פחות אנרגיית פולס כדי לצרוב את החומר. בנוסף, הפולס מספיק קצר כך שמעט מאוד אנרגיה מהלייזר נצמדת לחומר כחום. רוב הפולס האופטי הולך לעירור אלקטרונים שגורמים אז במהירות לצריבה של חלק מהחומר. החומר המשתחרר כתוצאה מכך הוא ברובו גז או חלקיקים דקים מאוד, ומשאיר אחריו אזור מושפע מחום (HAZ) מוגבל מאוד, בדרך כלל הרבה פחות ממיקרון. יש מעט חומר מותך או בכלל לא, כך שיציקות חוזרות או חדידים מצומצמים למינימום. הסוג הזה של אינטראקציה בין לייזר וחומר שונה ביסודו מאשר עיבוד חומר באמצעות פולסים של ננו שניות או ארוכים יותר, שתמיד מעורב בו אלמנט מסוים של חימום והתכה. מכאן בא המונח “צריבה קרה” למיקרו עיבוד באמצעות לייזר עם רוחב פולס בתחום של 10 פיקו שניות ומטה.
מספרים אופייניים לפיקו מיקרו עיבוד יכולים להיות: כשנתון סף צריבה של 1  ג’ול לסמ”ר ובוחרים קוטר כתם של 36 מיקרון, דרושה אנרגיית פולס של 10 מיקרו ג’ול כדי להגיע לסף הצריבה. עם הספק ממוצע של 10 ואט, נוכל להפעיל קצב הישנות של עד 1 מה”צ. קצבי צריבת נפח אופייניים יכולים להיות בתחום של 1 מ”מ מעוקב לדקה, ועם הספק ממוצע גבוה יותר ומיטוב של התהליך הם יכולים להגיע ל-10 מ”מ מעוקב בדקה.
הבחירה הסופית של הפרמטרים של הלייזר – גודל הכתם, אנרגיית הפולס, ההספק הממוצע, קצב ההישנות – היא פונקציה מורכבת של סוג החומר ומטרות המיקרו עיבוד, ומחוץ למסגרת של מאמר זה. באופן כללי, נוכל להגיד שמה שעשוי בסופו של דבר להגביל את הפיקו מיקרו עיבוד הם המהירויות ודיוק הסריקה של ראשי הסריקה שקיימים כיום. לסקירה כללית מפורטת יותר של נושא זה, ראו את המצגת של פרופ’ באט נאושוואנדר מהאוניברסיטה למדעים שימושיים של ברן [1]. בסוף, כמו בתהליכים רבים של עיבוד לייזר, צריך למטב בקפידה כל יישום, וכל הגורמים האלה תלויים בחומר שנבחר ובסוג המיקרו עיבוד הדרוש.
מדוע לא להשתמש במערכת פמטו? חלק גדול מעבודת המו”פ המקורית על צריבה קרה בוצעה באמצעות מערכות פמטו עם מגבר ממחזר (regenerative amplifier). המערכות האלה הן הרבה יותר מורכבות, מסתמכות על הטכניקה של “הגברת פולס שיני מסור” (chirped-pulse amplification) וקשה מאוד לשנות את הגודל שלהן מבחינת ההספק הממוצע. פולסים של פמטו שניות יכולים אמנם להועיל ליישומים מסוימים, אבל יישומים רבים של צריבה קרה פועלים בסדר גמור באמצעות פולסים של פיקו שניות.
Time-Bandwidth Products מייצרת פתרונות לייזר אולטרה מהיר תעשייתיים ומותאמים ספציפית עבור לקוחות מו”פ או יצרני ציוד מקורי. משפחת המוצרים שלנו כוללת מגוון רחב של פרמטרים, מאורכי גל של 266 עד 1550 נ”מ, פמטו עד פיקו שניות, קצבי הישנות מירייה בודדת ליותר מ-10 גה”צ, והספקים ממוצעים עד 50 ואט. השווקים החשובים הם מיקרו עיבוד מדויק, דיאגנוסטיקה של מוליכים למחצה, מדעי החיים, פיזיקה של אנרגיות גבוהות ומו”פ.

מבט לאחור
ללייזרים האולטרה מהירים יצא מזמן שם של “לא אמינים” או “צריך דוקטורט להפעיל אותם”. בתקופת מחקר הדוקטורט שלי בסטנפורד באמצע שנות השמונים, זה היה נכון. השתמשנו בלייזר Nd:YAG עם נעילת אופנים אקטיבית ומשאבת מנורה באורך של יותר משני מטר, שהצריך קירור מים חיצוני, יחד עם מדחס פולסים עם סריג סיבים, כדי ליצור פחות מוואט של פולסי פיקו שניות. חלק ניכר מהבוקר היינו עסוקים בלוודא שהלייזר מכוונן ויציב. זה איפשר הפסקות קפה נוחות אבל לא עזר הרבה לקדם את המחקר. המערכות האלה גם הפיקו פולסים בתחום הננו ג’ולים, הרבה מתחת לאנרגיית הפולס הנחוצה בשביל מיקרו עיבוד.
הופעת השאיבה באמצעות דיודה של לייזרי מצב מוצק בסוף שנות השמונים הביאה לשיפור רב מבחינת גודל, עלות ועמידות. במשטר הפיקו שניות, מגברים ממחזרים היו הבחירה המוקדמת לשינוי אנרגיית הפולס למשטר המיקרו או מילי ג’ולים, כשהמוצרים המסחריים הראשונים היו זמינים בסוף שנות התשעים. זה איפשר

לחוקרים לחקור מיקרו עיבוד באמצעות פולסים של פיקו שניות ולהראות את היתרונות של צריבה קרה. הושגו אמנם תוצאות טובות, אבל היה צורך ברור לשנות את קצב ההישנות וגם את ההספק הממוצע המתאים כדי להשיג מהירויות עיבוד שיהיו תחרותיות יחסית ללייזרי הננו שניות עם מיתוג Q הקיימים.
למדנו גם על החסרונות האינהרנטיים של מגבר ממחזר: כשהמגבר יוצר חלל (מחייב עשרות סיבובים), הוא רגיש ליישור, קשה לשנות פרמטרים חשובים כגון קצב הישנות בלי לשנות את הפרמטרים של קרן הפלט, ויש לו נטייה לגרום נזק לרכיבים (בגלל העוצמה הממוצעת הגבוהה הנובעת מהמספר הגדול של סיבובים ביצירת החלל). בנוסף דרוש לו תא פוקלס אלקטרו אופטי בתור מתג, מה שמוסיף עלות, מורכבות וצריכת חשמל.

הגישה שלנו – MOPA פיקו באמצעות גבישי לייזר מצב מוצק גדולים
החולשות האלה הובילו את Time-Bandwidth Products לפתח גישה חדשנית לשני האתגרים – אנרגיית פולס גבוהה והספק ממוצע גבוה. התוצאה הייתה משפחת המוצרים Duetto, המבוססת על הרעיון של מגבר הספק עם מתנד ראשי (MOPA). במקרה שלנו, המתנד הראשי הוא סוס עבודה מוכח, מתנד Nd:Vanadate פשוט עם שאיבת דיודה המפיק פולסים של 10 פיקו שניות ב-100 מה”צ. המתנד הזה משתמש בטכנולוגיית SESAM הקניינית שלנו המאפשרת נעילת אופנים פסיבית פשוטה, עמידה וזולה של המתנד הזה. הפלט של הלייזר הזה ממותג באמצעות מלקט פולסים למערך הגברה עם מעברים רבים. אחת התכונות המצוינות של המגבר הזה היא היכולת להגדיר אותו גם כקדם מגבר אפקטיבי, עם מקדמי שבח הספק העולים על 40 דציבל, וגם כמגבר הספק כדי להגביר עוד את אנרגיית הפולס או חשוב יותר, את ההספק הממוצע.
תכונה חשובה אחרת של גישת ה-MOPA היא היכולת לשנות מיידית (כלומר מפולס אחד לשני) את קצב ההישנות מבלי להשפיע משמעותית על פרמטרים חשובים של הקרן (כלומר איכות האופן המרחבי, גודל האופן והכיוון). כל עוד קצב ההישנות מהיר יותר מקצב ההתאוששות של המגבר (כלומר 50 קה”צ), שינוי קצב ההישנות גורם לשינוי באנרגיית הפולס אבל השינוי בהספק המוצא הממוצע זניח.
זה איפשר לנו להציע מערכת לייזר בסיסית המפיקה פולסים של 10 פיקו שניות עם הספק ממוצע של 10 ואט. זה תואם לקצב הישנות של 100 קה”צ עם אנרגיית פולס של 100 מיקרו ג’ול, או מעבר ל-1 מה”צ ייתן 10 מיקרו ג’ול, לדוגמה. אפשר כיום לקבוע את קצבי ההישנות עד ל-8 מה”צ (המגבלה היא האלקטרוניקה, לא ה-MOPA). איור 1 מראה את ראש הלייזר של מערכת Duetto, ואיור 2 מראה את טווח אנרגיות הפולס לעומת קצבי ההישנות שאפשר לכסות באמצעות Duetto.
קצבי הישנות נמוכים מ-50 קה”צ, כלומר ירייה בודדת או רצפי פולסים שרירותיים, מושגים בדרך כלל באמצעות מלקט פולסים חיצוני כדי לקבל “פולס לפי דרישה” (PoD) נקי שניתן להפעלה באמצעות טריגר. הגישה הזאת מונעת את “בעיית הפולס הראשון” הקשה אבל לעיתים תכופות נשכחת שאפשר למצוא במערכות MOPA, מגברים ממחזרים וגם במערכות עם מיתוג Q. בגלל שמירת אנרגיה בחומר השבח, אם הלייזר לא מופעל פרק זמן מסוים, האנרגיה מצטברת ומשתחררת ב”פולס ראשון” גדול מדי. ההשלכות של זה נעות מאי נוחות עד אסון, תלוי ביישום.
בגלל הספק השיא הגבוה שלה (בתחום המגה ואטים), אפשר להמיר את Duetto ביעילות לאורכי גל קצרים יותר, ולאפשר באופן טיפוסי המרה של 70% לירוק (532 נ”מ) והמרה של 30% לאולטרה סגול (355 נ”מ) כפי שמראה איור 3.
מגברים מודולריים מאפשרים לשנות עוד יותר את ההספק הממוצע, וכעת נמכרות מערכות עם 50 ואט. אנו מצפים להתקדמות נוספת בשינוי הגודל של ההספק הממוצע עם התפתחות השווקים.
התוצאה הסופית היא פתרון פשוט ומוכן לשימוש לפיקו מיקרו עיבוד. מערכת Duetto בנויה במארז חתום שלא דורש התערבות ושאפשר להוציא מארגז המשלוח ולהתקין תוך שעה- שעתיים. ההדלקה וההפעלה מתבצעים בתוך דקות. היציבות ארוכת הטווח מצוינת, כפי שמראה איור 4.

מה לגבי לייזרי סיב
עתירי אנרגיה?
לייזרי סיב הם שיחת היום בשנים האחרונות. אולם, כשמדובר באנרגיית פולס גבוהה, במיוחד עם פולסים של פיקו שניות, הם מתקשים, משום שבדרך כלל הם מוגבלים מבחינת הספק השיא המכסימלי בגלל אי-ליניאריות בסיב ונזק אופטי. מערכות הסיב המסחריות הנוכחיות מפיקות אנרגיות פולס בטווח המיקרו ג’ולים הבודדים, וזה לעיתים קרובות פחות מהאנרגיה הנחוצה להשגת סף הצריבה. יתר על כן, יכול להיות אפילו כאן שקלול תמורות, כגון הרחבה ספקטרלית משמעותית של הפלט, הגורם להגרעת ביצועים ויעילות מוגבלת של המרת התדר. פוטו האפלה (Photodarkening) של הסיב, במיוחד במגברים עתירי אנרגיה, היא עדיין נושא שמתפתח. תוצאות המעבדה עדיין משתפרות, למרות שהמורכבות של מערכות סיב כאלה גדולה יותר מהגישה הישירה יותר של לייזר מצב מוצק עם גביש גדול (bulk). בכל המקרים, יש להקפיד בתכנון האופטי- מכני- תרמי – חלק גדול מה”פשטות” של לייזר הסיב מתחיל להיעלם ברמות הספק מסוג זה, וההבדלים (כולל יתרונות המחיר) בין לייזרי מצב מוצק עם גבישים גדולים ובין לייזרי שטח אופן גדול או סיב גביש פוטוני מתוחכמים מתחיל להיות מאוד מטושטש.
ראוי לציין שכל המוצרים המסחריים הזמינים כיום שמפיקים פולסי פיקו שניות עתירי אנרגיה מסתמכים על רכיבי לייזר מצב מוצק עם גביש גדול להגברת הפולס.

יישומים
נחזור על התכונות החשובות של פיקו מיקרו עיבוד. כל פולס מסיר רק כמות קטנה של חומר, ועושה זאת עם אזור מושפע חום כמעט זניח. ניתן למנוע כמעט לחלוטין חדידים, מיקרו בקיעים ויציקה חוזרת. אם מקפידים מספיק ניתן להקטין את גודל הכתם לתחום המיקרונים. בנוסף לאורך הגל הבסיסי של 1064 נ”מ, אפשריים גם אורכי הגל ירוק ואולטרה סגול, המאפשרים לשפר את גודל הכתם או אולי  צימוד טוב יותר בין הלייזר והחומר. אפשר להגדיל את קצב ההישנות של הפולס למשטר המגה הרצים, וזה מאפשר פוטנציאלית מהירויות סריקה מאוד מהירות.
היישומים כוללים מגוון רחב של מיקרו- הבניה, חריטה או קדיחת חורים בסוגים רבים של חומרים. רשמנו כאן כמה יישומים חשובים וסיפקנו פרטים נוספים לגבי כמה יישומים נבחרים להלן.
מתכות
•חיתוך/ הבניה (במיוחד פילמים או רדידים דקים).
•חורים מדויקים (פחות מ-100 נ”מ, יחס מימדים גדול)
•תכונות משטחים/ טריבולוגיה (שיפור תכונות של חיכוך)
מוליכים למחצה/ תאים פוטו וולטאים
•חורים (באמצעות קדיחה)
•תהליכי צריבה / מיקרו- מבנים
•חיתוך פרוסות סיליקון / חריטה
חומרים לא מוליכים
•הבניה, בייחוד חומרים “בעייתיים” כמו חומרים קראמיים
•צריבה סלקטיבית
•חריטת זכוכית, ריתוך
יישומי מו”פ
•חקר חומרים, פיקו ספקטרוסקופיה
•שאיבת OPO/OPG
•עירור של פוטו קתודות (האצת חלקיקים)
איור 5 מראה דוגמה של חיתוך מתכת דקה. אפשר לחתוך את רדיד הפלדה (בעובי של בערך 50 מיקרון) בדיוק רב מאוד ועם קצוות חדים מאוד שלא רואים בהם שום יציקה חוזרת או חדידים, וזה מאפשר ליצור חתיכות מתכת קטנות ומאוד דקות. בנוסף, אפשר לקדוח חורים מדויקים ומעוצבים במתכות, בפרט במתכות קשות, ליישומים בתחומים כגון לוחות טוויה לייצור סיבים (spinnerets), נחירי הזרקה וטורבינות. איור 6 מראה דוגמה “כיפית” של פיסת מתכת מיקרו מובנית, ברוחב של בערך 9 מ”מ, באמצעות נתונים טופוגרפיים משווייץ, עם 100 רמות אנכיות.
צריבה קרה מעניינת במיוחד ליישומים הדורשים עיבוד של חומרים “מעורבים”, לדוגמה צירופים של מתכות, מוליכים למחצה, פלסטיקים וחומרים דיאלקטריים. לדוגמה: מוליכים למחצה המשתמשים בחומרים מצופים בעלי מקדם דיאלקטרי נמוך, או טכנולוגיות פילמים דקים כגון CIGS, CdTe וכדומה המשמשים לייצור תאים סולריים גמישים. איור 7 מראה תא סולרי CIGS שיוצר על מצע גמיש. כל אחד מתהליכי חריטת הבידוד P1/P2/P3 חייבים לבצע ללא אזור מושפע חום גדול ומבלי לגרום נזק לחומר שכן ולשכבות שמתחת. ניתן להשיג זאת על ידי בחירה נכונה של אורך הגל של התהליך באמצעות צריבת פיקו לייזר.
חומרים שקופים, אפילו קשים מאוד, ניתנים למיקרו הבניה ביעילות. איור 8 מראה צורה מורכבת שנבנתה מאבן ספיר. גם חומרים אחרים כגון חומרים קראמיים, שבגלל הפריכות שלהם רגישים לסדקים שיוצר חום, ניתנים למיקרו הבניה ביעילות באמצעות פיקו לייזרים.
ופ עם סריקת לייזר.

מבט לעתיד
פיקו מיקרו עיבוד הוא עדיין תחום חדש שלא נחקר במלואו. כמהנדסי לייזר, אנו ממשיכים לגלות, קצת להפתעתנו, שהעבודה הדרושה כדי לפתח תהליכים שמשתמשים בלייזרים אלה יכולה להיות אינטנסיבית מאוד. זה גם בגלל טיבו הבסיסי של המיקרו עיבוד (מורכב) וגם בגלל אפקטים חדשים שמתגלים בעולם הפיקו מיקרו עיבוד. למרות זאת אנו ממשיכים למצוא יישומים רבים שבהם מושגות תוצאות שהן “קשות עד בלתי אפשריות” להשגה באמצעות סוגי לייזר אחרים. בסוף, לגבי תהליך מוכח, השורה החתונה היא עלות, איכות או שילוב שלהן. העלות קשורה לעלות של מערכת הלייזר ולמהירות של התהליך. פיקו לייזרים הם עדיין חדשים יחסית בשוק, ומחירם נוטה להיות גבוה. זה בחלקו בגלל תכונות הביצועים הגבוהות, כלומר קרני TEM00 מאוד נקיות עם M2 < 1.3, ובחלקו בגלל הכמויות הקטנות יחסית שנמכרות. אנו מצפים שהמחיר לוואט ימשיך לרדת, ויש בהחלט מקום להפחתת מחירים גדולה ככל שתעלה הכמות. טכנולוגיית הלייזר סיב תמלא אולי תפקיד בחמש- עשר השנים הבאות, אבל אנרגיית הפולס הנמוכה והפוטו האפלה הן עדיין בעיות שמחייבות מענה.

*הכתבה נמסרה באדיבות חברת ATS .