피코초 레이저와 펨토초 레이저: 포괄적인 기술 비교

소개

첨단 레이저 기술의 영역에서초고속 레이저정밀 제조, 의료 시술, 그리고 과학 연구에 혁명을 일으켰습니다. 그중 피코초와 펨토초 레이저는 초단 펄스 기술의 최첨단을 대표합니다. 두 기술 모두 인간이 이해하기 어려울 정도로 빠른 시간 단위로 작동하지만, 그 미묘한 차이는 응용 분야와 효과에 상당한 영향을 미칩니다. 이 기술 비교에서는 이 두 레이저 기술의 기본적인 특성, 메커니즘, 그리고 실질적인 고려 사항을 살펴봅니다..

지난 10년간 초고속 레이저 기술의 발전은 여러 산업 분야에서 획기적인 발전을 가져왔습니다. 최소 침습 안과 수술부터 재료 가공의 전례 없는 정밀성 확보에 이르기까지, 이러한 레이저는 정밀성과 최소한의 부수적 손상이 무엇보다 중요한 첨단 기술 분야에서 필수적인 도구로 자리 잡았습니다. .

1 기본 개념 및 물리적 원리

1.1 시간 척도 정의

피코초 레이저와 펨토초 레이저의 주요 차이점은 다음과 같습니다.펄스 지속 시간피코초(추신)는 10⁻¹²초, 즉 1조 분의 1초에 해당하고, 펨토초(에프에스)는 10⁻¹⁵초, 즉 1조 분의 1초에 해당합니다. 이 차이를 시각적으로 표현하기 위해, 1펨토초는 1피코초에 대해 1초가 약 31,709년에 해당하는 비율이라는 점을 생각해 보세요..

펄스 지속 시간의 이러한 차이는 직접적으로 영향을 미칩니다.최대 전력동일한 펄스 에너지를 가진 레이저와 비교했을 때, 펨토초 레이저는 에너지가 훨씬 짧은 시간 안에 압축되기 때문에 훨씬 더 높은 피크 파워를 달성합니다. 이러한 높은 피크 파워는 피코초 시스템에서는 덜 두드러지는 독특한 비선형 광학 현상을 가능하게 합니다..

1.2 물질 상호작용 메커니즘

이러한 레이저가 재료와 상호 작용하는 방식의 근본적인 차이점은 재료에 대한 펄스 지속 시간에서 비롯됩니다.열 이완 시간재료의. 피코초 레이저는 열 전도를 통해 충격 부위에서 확산되는 것보다 더 빠르게 에너지를 방출하지만, 여전히 일부 열 축적과 더 큰 열영향부(하즈)를 초래합니다. 반면, 펨토초 레이저는 에너지를 매우 빠르게 방출하여 상당한 열 확산이 일어나기 전에 재료가 기화되어 HAZ가 훨씬 작아집니다. .

이는 다른 결과를 초래합니다절제 메커니즘피코초 레이저 재료 제거는 종종 열 공정과 비열 공정을 결합하는데, 펄스가 재료를 가열하여 용융 및 증발을 일으키고, 동시에 기계적 응력을 발생시킵니다. 펨토초 레이저는 주로 비열적 삭마(제거)를 통해 작동하는데, 이 경우 높은 에너지 밀도가 재료를 원자 수준에서 분해하여 최소한의 부수적 손상으로 매우 깨끗하게 재료를 제거합니다. .

초고속 레이저의 "저온 절삭(으으으으 추워요 제거)" 특성은 펄스가 매우 짧아 재료에 전달되는 에너지가 열로 방출될 수 없기 때문에 발생합니다. 대신, 재료는 용융 단계를 완전히 건너뛰고 고체에서 기체 상태로 바로 전이(승화)됩니다. 이는 파편, 표면 아래 균열, 또는 결정 구조 형성과 같은 여러 바람직하지 않은 효과를 최소화하거나 제거합니다..

2 기술적 성능 비교

2.1 정밀도 및 품질 측정 항목

그만큼더 작은 열 영향 구역펨토초 레이저는 최고의 정밀도가 요구되는 분야에 적합합니다. 금속 가공 시 펨토초 레이저는 피코초 레이저에 비해 표면 버(규석)가 전혀 발생하지 않고, 형상이 약간 더 선명하며 표면 거칠기가 더 낮습니다..

의 관점에서절제 품질펨토초 레이저는 일반적으로 대부분의 소재에서 더 깨끗한 결과를 제공합니다. 플라스틱 가공의 경우, 펨토초 레이저는 더 다양한 소재를 효과적으로 처리할 수 있는 반면, 피코초 레이저는 일반적으로 비슷한 품질의 플라스틱을 가공하기 위해 녹색 또는 자외선 파장이 필요합니다. .

달성 가능한특징 크기파장 옵션의 영향도 받습니다. 두 레이저 유형 모두 적외선(IR), 녹색(GR), 자외선(자외선) 파장을 사용할 수 있습니다. 가능한 가장 작은 초점 스팟 크기는 파장과 직접적인 관련이 있습니다. 자외선 레이저는 IR 레이저 직경의 3분의 1 크기의 스팟 크기에 초점을 맞춰 더욱 미세한 형상을 생성할 수 있습니다. .

2.2 처리 속도 및 처리량

펨토초 레이저는 일반적으로 뛰어난 정밀도를 제공하지만피코초 레이저는 일반적으로 더 높은 재료 제거율을 제공합니다.다양한 응용 분야에서 이러한 속도 이점은 피코초 레이저를 극도의 정밀도가 주요 요구 사항은 아니지만 처리량이 중요한 공정에 더 적합하게 만듭니다. .

그만큼반복률기술마다 성능도 다릅니다. 피코초 레이저는 50W 이상의 출력 확장과 500Hz 이상의 펄스 반복률 확장에 있어 더 큰 유연성을 제공하여 여러 산업 분야에서 생산성을 크게 향상시킵니다..

유리 가공과 같은 특정 응용 분야에서 피코초 레이저는 레이저 출력 1와트당 약 0.1mm³/분에서 1mm³/분 이상의 재료 제거율을 달성할 수 있습니다. 스테인리스강의 경우, 제거율은 일반적으로 1와트당 0.05mm³/분에서 0.2mm³/분입니다..

표: 피코초 및 펨토초 레이저의 비교 처리 특성

3가지 응용 프로그램 및 사용 사례

3.1 의료용 응용 분야

~ 안에안과 수술펨토초 레이저는 라식 수술이나 백내장 수술과 같은 시술에 혁명을 일으켰습니다. 펨토초 레이저의 뛰어난 정밀도는 조직 손상을 최소화하면서 각막 절편을 제작할 수 있게 해주며, 절편 두께 예측성 측면에서 기계식 미세각막절편보다 우수하고, 단추 구멍이나 유리 캡과 같은 합병증을 줄여줍니다..

을 위한피부과적 응용피코초 레이저는 문신 제거와 피부 재생에 탁월한 효과를 보입니다. 피코초 레이저의 펄스는 잉크 입자를 미세한 조각으로 효과적으로 분쇄하여 신체가 제거할 수 있도록 하는 동시에, 콜라겐 생성을 촉진하여 최소한의 회복 시간으로 주름을 개선합니다..

펨토초 레이저는 고정밀조직 해부주변 조직의 보존이 중요한 신경외과 및 기타 미세외과 수술에 도움이 되는 섬세한 시술.

3.2 산업 및 재료 가공

~ 안에미세 가공 응용 분야피코초 레이저는 금속, 반도체, 유리 및 사파이어와 같은 투명 소재를 포함한 다양한 소재를 가공하는 데 널리 사용되는 도구입니다. 열 손상을 최소화하면서 31nm 정도의 미세한 형상을 생성할 수 있습니다. .

펨토초 레이저는 다음과 같은 분야에서 탁월합니다.고정밀 미세 가공특히 열 손상 없이 까다로운 소재에 매우 정밀한 형상을 제작하는 데 필요한 서브마이크론 수준의 정확도를 요구합니다. 반도체 제조 공정에서 박막 제거와 같이 기판 보호가 중요한 분야에 필수적입니다..

을 위한투명 소재 가공두 레이저 모두 내부 수정을 가능하게 하지만 펨토초 레이저는 다중 광자 흡수와 같은 비선형 상호 작용을 통해 투명 재료 내에서 3차원 마이크로 및 나노 제작에서 특히 빛납니다..

3.3 과학 연구 응용 프로그램

~ 안에분광학두 레이저 유형 모두 초고속 프로세스를 조사하며 펨토초 레이저는 매우 빠른 분자 이벤트를 포착하기 위해 더 높은 시간적 분해능을 제공합니다..

의 분야재료 과학펨토초 레이저를 사용하여 이전에는 접근할 수 없었던 시간 척도에서 현상 관찰을 가능하게 하는 초단파 광 펄스에 대한 물질 반응을 연구하기 위해 두 기술을 모두 활용합니다..

펨토초 레이저는 혁신적인3차원 제작다광자 중합을 통한 투명 재료 내부 접근 방식으로 광자 장치, 미세 유체 및 생물 의학 응용 분야를 위한 미세 구조를 생성합니다. 

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4가지 실제 고려 사항 및 선택 기준

4.1 비용 및 경제적 요인

그만큼상당한 가격 차이이러한 기술 간의 차이점은 여전히 ​​중요한 고려 사항입니다. 펨토초 레이저 시스템은 일반적으로 초기 투자 및 유지 보수 비용이 더 높으며, 전체 시스템의 가격은 종종 40만 달러를 초과합니다..

피코초 레이저는 점점 더 경제성을 갖추게 되었으며, 최근 몇 년 동안 광자 비용이 10배 이상 감소했습니다. 산업용 피코초 레이저의 총 소유 비용은 시간당 약 8~12유로에 달하여 다양한 응용 분야에서 더욱 쉽게 사용할 수 있게 되었습니다. .

기술 간 결정에는 다음이 포함되어야 합니다.처리량 요구 사항투자 수익률 분석. 피코초 레이저 정밀도가 충분한 응용 분야의 경우, 더 빠른 처리 속도가 더 나은 경제적 가치를 제공할 수 있습니다. .

4.2 시스템 통합 및 운영 요구 사항

환경 안정성초고속 레이저 시스템에는 매우 중요합니다. 몇 도 이상의 온도 변화는 정밀 응용 분야에서 고정구, 스테이지 및 레이저 포인팅 안정성에 심각한 문제를 일으킬 수 있습니다. 이러한 시스템은 일반적으로 성능 유지를 위해 온도 조절이 가능한 환경이 필요합니다..

그만큼통합 복잡도초고속 레이저에는 레이저 광원, 광 경로, 초점 광학 장치, 모션 시스템, 비전 시스템, 그리고 잔해물 관리 장치 등 여러 구성 요소가 포함됩니다. 각 구성 요소는 레이저의 정밀 성능을 유지하기 위해 신중하게 설계되어야 합니다. 

잔해 관리특히 초고속 레이저에서는 전하를 띠고 표면에 달라붙는 나노입자를 생성하는 데 매우 중요합니다. 효과적인 제거를 위해서는 특수 추출 시스템이나 초음파 세척 절차가 필요한 경우가 많습니다..

4.3 응용 프로그램별 선택 지침

피코초와 펨토초 기술 중 하나를 선택하려면 여러 요소를 평가해야 합니다.

•재료 특성: 일부 재료는 열 손상에 더 취약하여 펨토초 정밀도가 필요합니다. 

•정밀도 요구 사항: 가장 높은 정밀도와 최소 HAZ를 요구하는 응용 분야에서는 일반적으로 펨토초 레이저 선택이 정당화됩니다.

•처리량 요구 사항: 피코초 레이저는 정밀도 수준이 충분한 응용 분야에서 더 높은 처리 속도를 제공하는 경우가 많습니다.

•총 소유 비용: 초기 투자 외에 유지 관리, 운영 비용 및 필요한 보조 시스템을 고려하십시오. 

많은 응용 분야에서 최적의 접근 방식은 두 가지 기술을 특정 소재와 공정으로 테스트하는 것입니다. 아마다 미야치 America와 같은 회사는 일반적으로 응용 분야 요구 사항을 정의할 때 두 레이저 유형에 대한 비교 샘플을 실행합니다..

결론

피코초 레이저와 펨토초 레이저는 초고속 레이저 기술 분야에서 중요한 위치를 차지하고 있습니다. 펨토초 레이저는 열 영향을 최소화하면서 뛰어난 정밀도를 제공하는 반면, 피코초 레이저는 다양한 응용 분야에서 성능과 비용 효율성의 균형을 잘 유지합니다..

이러한 기술 간의 결정은 궁극적으로 특정 애플리케이션 요구 사항, 정밀도 요구 사항, 처리량 목표 및 예산 제약에 따라 달라집니다. 두 기술 모두 비용이 감소하고 기능이 확장됨에 따라 지속적으로 발전함에 따라 의료, 산업 및 과학 분야에서 채택률이 크게 증가할 것으로 예상됩니다..

향후 개발은 전력 수준 향상, 신뢰성 향상, 비용 절감, 그리고 통합 역량 강화에 집중될 것으로 예상됩니다. 이러한 발전은 새로운 응용 가능성을 열어주고 다양한 산업 분야에서 초고속 레이저 가공의 접근성을 높여줄 것입니다. .