Промышленный пикосекундный DPSS лазер высокой мощности Atlantic

Пикосекундные лазеры высокой мощности серии Atlantic

  • Выходная мощность до 80 Вт на длине волны 1064 нм
  • Энергия импульса до 200 мкДж
  • Длительность импульса 10-15 пс
  • Частота следования импульсов до 1 МГц
  • Индивидуальный контроль импульсов
  • Идеальное решения для микромашининга
  • Компактный, герметичный и прочный корпус
  • Не требуется подключение внешней системы водяного охлаждения

Производитель EKSPLA

Описание

Лазеры серии Atlantic были разработаны как удобный инструмент для применения в различных областях микрообработки. Они компактны, имеют прочный корпус, а значение выходной мощности на основной длине волны может достигать 80 Вт. Обладая короткой длительностью импульса, лазеры данной серии обеспечивают минимальное термическое воздействие на обрабатываемый материал, что становится все более востребованным в широком круге промышленных задач: фотовольтаика и фотогальваника, электроника, биомедицина, автомеханика.

Отличительные особенности

  • Выходная мощность до 80 Вт на длине волны 1064 нм
  • Частота следования импульсов до 1 МГц
  • Энергия импульса до 200 мкДж
  • Длительность импульса 10-15 пс
  • Превосходное качество излучения, М2 < 1.3
  • Контроль индивидуальных импульсов
  • Технология «умной» внешней синхронизации для согласованной работы с призменным сканером
  • Прочный, компактный и герметичный корпус
  • Низкая стоимость обслуживания
  • Питание от однофазной сети
  • Без внешнего водяного охлаждения

Области применения

  • Сверление микроотверстий
  • Прецизионная резка
  • Микроструктурирование
  • Формирование рельефа
  • Абляция
  • Микрообработка

Инновационный дизайн на основе использования волоконного резонатора гарантирует превосходные параметры выходного излучения: М2 < 1.3 со стабильностью энергии импульса (СКО < 1%). Все оптические компоненты расположены в одном герметичном блоке, что гарантирует надежность работы в режиме 24/7.

Высокая частота следования импульсов вплоть до 1 МГц совместно с низкими затратами на производство представляют данный лазер в качестве отличного инструмента для промышленных применений при обработке материала с высокой пропускной способностью, требующих высокой скорости и точности.

Оптические компоненты расположены в отдельном прочном блоке, который может использоваться как отдельный элемент в различных пользовательских задачах. Система является герметичной, что обеспечивает долговременную стабильную работу в условиях промышленного производства. Лазеры серии Atlantic обеспечивают максимальную надежность благодаря оптимизированной оптической схеме, управлению через ПК, встроенной системе самодиагностики и усовершенствованному механизму отправки отчетов о статусе системы. Превосходное качество луча позволяет с легкостью фокусировать лазерное излучение в пятно небольших размеров на различное рабочее расстояние, а также проводить обработку практически любых материалов.

Данные лазеры разрабатывались как универсальное решение, не требующее высоких затрат на содержание и обслуживание. Все расходные материалы могут быть заменены на стороне конечного пользователя обученным персоналом производителя.

Дополнительные материалы

  1. Типоисполнение лазеров моделей Atlantic 20-1064, Atlantic 40-1064, Atlantic 60-1064
  2. Габаритные чертежи лазерной головки моделей Atlantic 20-1064, Atlantic 40-1064, Atlantic 60-1064
  3. Типоисполнение лазеров моделей Atlantic 20-532/355, Atlantic 40-532/355, Atlantic 60-532/355
  4. Габаритные чертежи лазерной головки моделей Atlantic 20-532/355, Atlantic 40-532/355, Atlantic 60-532/355
  5. Габаритный чертеж источника питания для лазеров серии Atlantic

Образцы микрообработки

1. Отверстия, просверленные
лазером в тантале
(Ø0.4 мм и Ø0.3 мм)

2. Пазы, прорезанные в инваровой маске
для OLED и LCD:
Atlantic, 266 нм, 100 кГц, 0.35 Вт.
Ширина паза 0.34 мкм,
скорость реза 5 мм/с

3. Отверстия, просверленные
лазером в вольфраме
(Ø0.5 мм и Ø0.3 мм)

4. Абляция полимерного материала

5. Формообразование стента
из нитинола (сплав Ni-Ti)

6. Резка кремниевой пластины

7. Структурирование PMMA (оргсеткло)

8. Структурирование стекла

9. Резка DSCN1195

Серия Atlantic IR: характеристики и производительность

Модель IR5 IR6HE IR25 IR50 IR80
Основные характеристики 1)
Длина волны 1064 нм
Частота следования импульсов 2) 100 – 1000 кГц 30 кГц 200 – 1000 кГц 300 – 1000 кГц 400 – 1000 кГц
Макс. средняя выходная мощность 3) 5 Вт 6 Вт 25 Вт 50 Вт 80 Вт
Энергия импульса на минимальной частоте 3) 30 мкДж 200 мкДж 125 мкДж 165 мкДж 200 мкДж
Контраст импульса > 100:1
Флуктуации мощности в течение 8 часов после прогрева (СКО) < 0.5% 4) < 1.0%
Стабильность энергии от импульса к импульсу (СКО) < 1.0%
Длительность импульса (по уровню FWHM) 10 ± 3 пс
Поляризация Линейная, вертикальная, 100:1
Качество луча M2 < 1.3
Круглость луча (дальнее поле) > 0.85
Расхождение луча (полный угол) < 2.0 мрад < 1.5 мрад
Точность наведения луча (от пика к пику) 5) < 50 мкрад
Диаметр луча (по уровню 1/e2) на расстоянии 50 см от выходного окна 1.4 ± 0.2 мм 1.8 ± 0.3 мм
Режим внешнего запуска Внутренний/внешний
Контроль выходных импульсов Делитель частоты (вплоть до единичного импульса), произвольный выбор импульса, ослабление мощности
Управляющий интерфейс Клавиатура/USB
Требования по эксплуатации
Напряжение питания 100 – 240 В, перем. ток, 5 А, однофазное, 47 – 63 Гц
Максимальное энергопотребление < 0.5 кВт < 2.8 кВт < 2.8 кВт < 3.1 кВт < 3.5 кВт
Рабочая температура 18 – 27°C
Стабильность рабочей температуры в допустимом диапазоне Флуктуации < ±2°C
Относительная влажность 10 – 80% (не конденсированный воздух)
Степень очистки воздуха ISO 9 (комнатный воздух) или лучше
Физические характеристики
Охлаждение воздушное водяное
Габаритные размеры лазерной головки (Ш×В×Д) 372 × 158 × 423 мм 364 × 190 × 720 мм
Габаритные размеры источника питания/ охлаждения (Ш×В×Д) 471 × 153 × 511 мм 553 × 1019 × 867 мм
Длина соединительного кабеля 4 м
Классификация
Классификация в соответствии с EN60825-1 Лазерный продукт Класс 4

1) В виду дальнейшей модернизации все характеристики могут быть изменены без предварительного уведомления. Параметры, отмеченные как типовые – не являются характеристиками: они отображают производительность и будут варьироваться для каждой новой изготавливаемой единицы оборудования. Если не указано иное, все характеристики измерены на длине волны 1064 нм

2) Более низкие частоты следования доступны при использовании импульсной стробирующей системы (включена в стандартную конфигурацию)

3) См. типовые перестроечные кривые мощности и энергии для других частот следования

4) С активированной функцией стабилизации мощности «power lock-on»

5) Определяется как краткосрочная (< 2 мин) угловая точность наведения луча

Типовой внешний вид лазерной головки моделей Atlantic IR6HE, IR25, IR50, IR80

Типовой внешний вид лазерной головки модели Atlantic IR5

Типовые перестроечные кривые мощности и энергии лазера модели Atlantic IR80

Типовые перестроечные кривые мощности и энергии лазера модели Atlantic IR50

Типовые перестроечные кривые мощности и энергии лазера модели Atlantic IR25

Типовые перестроечные кривые мощности и энергии лазера модели Atlantic IR5

Габаритные размеры лазерной головки моделей Atlantic IR6HE, IR25, IR50, IR80

Габаритные размеры лазерной головки модели Atlantic IR5

Габаритные размеры источника питания/охлаждения моделей Atlantic IR6HE, IR25, IR50, IR80

Габаритные размеры источника питания/охлаждения модели Atlantic IR5

Серия Atlantic VIS: характеристики и производительность

Модель GR2 GR3HE GR12 GR25 GR40
Основные характеристики 1)
Длина волны 532 нм (дополнительный выход на 1064 нм 2) )
Частота следования импульсов 3) 100 – 1000 кГц 30 кГц 200 – 1000 кГц 300 – 1000 кГц 400 – 1000 кГц
Макс. средняя выходная мощность 4) 2 Вт 3 Вт 12 Вт 25 Вт 40 Вт
Энергия импульса на минимальной частоте 4) 20 мкДж 100 мкДж 60 мкДж 85 мкДж 100 мкДж
Контраст импульса > 500:1
Флуктуации мощности в течение 8 часов после прогрева (СКО) < 0.5% 5) < 1.0%
Стабильность энергии от импульса к импульсу (СКО) < 2.0%
Длительность импульса (по уровню FWHM) 10 ± 3 пс
Поляризация Линейная, вертикальная, 100:1
Качество луча M2 < 1.3
Круглость луча (дальнее поле) > 0.85
Расхождение луча (полный угол) < 1.5 мрад < 1.0 мрад
Точность наведения луча (от пика к пику) 6) < 50 мкрад
Диаметр луча (по уровню 1/e2) на расстоянии 50 см от выходного окна 1.2 ± 0.2 мм 1.5 ± 0.3 мм 1.3 ± 0.3 мм 1.4 ± 0.3 мм 1.5 ± 0.3 мм
Режим внешнего запуска Внутренний/внешний
Контроль выходных импульсов Делитель частоты (вплоть до единичного импульса), произвольный выбор импульса, ослабление мощности
Управляющий интерфейс Клавиатура/USB
Требования по эксплуатации
Напряжение питания 100 – 240 В, перем. ток, 5 А, однофазное, 47 – 63 Гц
Максимальное энергопотребление < 0.5 кВт < 2.8 кВт < 2.8 кВт < 3.1 кВт < 3.5 кВт
Рабочая температура 18 – 27°C
Стабильность рабочей температуры в допустимом диапазоне Флуктуации < ±2°C
Относительная влажность 10 – 80% (не конденсированный воздух)
Степень очистки воздуха ISO 9 (комнатный воздух) или лучше
Физические характеристики
Охлаждение воздушное водяное
Габаритные размеры лазерной головки (Ш×В×Д) 372 × 158 × 590 мм 364 × 190 × 891 мм
Габаритные размеры источника питания/ охлаждения (Ш×В×Д) 471 × 153 × 511 мм 553 × 1019 × 867 мм
Длина соединительного кабеля 4 м
Классификация
Классификация в соответствии с EN60825-1 Лазерный продукт Класс 4

1) В виду дальнейшей модернизации все характеристики могут быть изменены без предварительного уведомления. Параметры, отмеченные как типовые – не являются характеристиками: они отображают производительность и будут варьироваться для каждой новой изготавливаемой единицы оборудования. Если не указано иное, все характеристики измерены на длине волны 532 нм

2) Выходные характеристики идентичны характеристикам серии Atlantic IR

3) Более низкие частоты следования доступны при использовании импульсной стробирующей системы (включена в стандартную конфигурацию)

Серия Atlantic UV: характеристики и производительность

4) См. типовые перестроечные кривые мощности и энергии для других частот следования

5) С активированной функцией стабилизации мощности «power lock-on»

6) Определяется как краткосрочная (< 2 мин) угловая точность наведения луча

Типовой внешний вид лазерной головки моделей Atlantic GR3HE, GR12, GR25, GR40

Типовой внешний вид лазерной головки модели Atlantic GR2

Типовые перестроечные кривые мощности и энергии лазера модели Atlantic GR2

Типовые перестроечные кривые мощности и энергии лазера модели Atlantic GR12

Типовые перестроечные кривые мощности и энергии лазера модели Atlantic GR25

Типовые перестроечные кривые мощности и энергии лазера модели Atlantic GR40

Габаритные размеры лазерной головки моделей Atlantic GR3HE, GR12, GR25, GR40

Габаритные размеры лазерной головки модели Atlantic GR2

Габаритные размеры источника питания/охлаждения модели Atlantic GR2

Габаритные размеры источника питания/охлаждения моделей Atlantic GR3HE, GR12, GR25, GR40

Серия Atlantic UV: характеристики и производительность

Модель UV1 UV2HE UV8 UV18 UV30
Основные характеристики 1)
Длина волны 355 нм
Частота следования импульсов 2) 100 – 1000 кГц 30 кГц 200 – 1000 кГц 300 – 1000 кГц 400 – 1000 кГц
Макс. средняя выходная мощность 3) 1 Вт 2 Вт 8 Вт 18 Вт 30 Вт
Энергия импульса на минимальной частоте 3) 10 мкДж 75 мкДж 40 мкДж 60 мкДж 75 мкДж
Контраст импульса > 1000:1
Флуктуации мощности в течение 8 часов после прогрева (СКО) < 0.5% 4) < 1.0%
Стабильность энергии от импульса к импульсу (СКО) < 2.5%
Длительность импульса (по уровню FWHM) 10 ± 3 пс
Поляризация Линейная, вертикальная, 100:1
Качество луча M2 < 1.3
Круглость луча (дальнее поле) > 0.85
Расхождение луча (полный угол) < 1.5 мрад < 1.0 мрад
Точность наведения луча (от пика к пику) 5) < 50 мкрад
Диаметр луча (по уровню 1/e2) на расстоянии 50 см от выходного окна 1.1 ± 0.2 мм 1.5 ± 0.3 мм 1.8 ± 0.3 мм 1.9 ± 0.3 мм 2.0 ± 0.3 мм
Режим внешнего запуска Внутренний/внешний
Контроль выходных импульсов Делитель частоты (вплоть до единичного импульса), произвольный выбор импульса, ослабление мощности
Управляющий интерфейс Клавиатура/USB
Требования по эксплуатации
Напряжение питания 100 – 240 В, перем. ток, 5 А, однофазное, 47 – 63 Гц
Максимальное энергопотребление < 0.5 кВт < 2.8 кВт < 2.8 кВт < 3.1 кВт < 3.5 кВт
Рабочая температура 18 – 27°C
Стабильность рабочей температуры в допустимом диапазоне Флуктуации < ±2°C
Относительная влажность 10 – 80% (не конденсированный воздух)
Степень очистки воздуха ISO 9 (комнатный воздух) или лучше
Физические характеристики
Охлаждение воздушное водяное
Габаритные размеры лазерной головки (Ш×В×Д) 372 × 158 × 590 мм 364 × 190 × 891 мм
Габаритные размеры источника питания/ охлаждения (Ш×В×Д) 471 × 153 × 511 мм 553 × 1019 × 867 мм
Длина соединительного кабеля 4 м
Классификация
Классификация в соответствии с EN60825-1 Лазерный продукт Класс 4

1) В виду дальнейшей модернизации все характеристики могут быть изменены без предварительного уведомления. Параметры, отмеченные как типовые – не являются характеристиками: они отображают производительность и будут варьироваться для каждой новой изготавливаемой единицы оборудования. Если не указано иное, все характеристики измерены на длине волны 532 нм

2) Выходные характеристики идентичны характеристикам серии Atlantic IR

3) Более низкие частоты следования доступны при использовании импульсной стробирующей системы (включена в стандартную конфигурацию)

4) См. типовые перестроечные кривые мощности и энергии для других частот следования

5) С активированной функцией стабилизации мощности «power lock-on»

6) Определяется как краткосрочная (< 2 мин) угловая точность наведения луча

Типовой внешний вид лазерной головки моделей Atlantic UV2HE, UV8, UV18, UV30

Типовой внешний вид лазерной головки модели Atlantic UV1

Типовые перестроечные кривые мощности и энергии лазера модели Atlantic UV1

Типовые перестроечные кривые мощности и энергии лазера модели Atlantic UV8

Типовые перестроечные кривые мощности и энергии лазера модели Atlantic UV18

Типовые перестроечные кривые мощности и энергии лазера модели Atlantic UV30

Измерение параметра M2 для лазера модели Atlantic UV30 (355 нм, 34 Вт, 400 кГц)

Типовая долговременная стабильность средней выходной мощности лазера модели Atlantic UV30 при неизменных условиях окружающей среды

Профиль луча на длине волны 355 нм на 34 Вт в дальнем поле при различных условиях ослабления

Габаритные размеры лазерной головки модели Atlantic UV1

Габаритные размеры лазерной головки моделей Atlantic UV2HE, UV8, UV18, UV30

Габаритные размеры источника питания/охлаждения модели Atlantic UV1

Габаритные размеры источника питания/охлаждения моделей Atlantic UV2HE, UV8, UV18, UV30

Laser Processing for Precise Fabrication of the THz Optics

1. Laser-Ablated Silicon in the Frequency Range From 0.1 to 4.7 THz

Authors:  S .Indrišiūnas, E. Svirplys, H. Richter, A. Urbanowicz, G. Račiukaitis, T. Hagelschuer, H.W. Hübers, I. Kašalynas

The optical performance of high-resistivity silicon with a laser-ablated surface was studied in the transmission mode in the frequency range of 0.1-4.7 THz. A reciprocal relationship between the transmission brightness and the surface roughness was observed at discrete THz frequencies. The measured dispersion was reproduced by the THz wave scattering theory using an effective refractive index model. No significant differences between the samples processed either with psor ns-duration laser pulses in ambient air or in argon enriched atmosphere were found in the THz regime. It was demonstrated that the majority of optical losses of the silicon with the laser modified surface were due to the scattering of THz waves and not due to the absorption in silicon-compounds formed during the laser ablation.

Published: 2019. Source: IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, vol. 9, no. 6, pp. 581-586, Nov. 2019.

2. Laser processing for precise fabrication of the THz optics

Authors:  B. Voisiat, S. Indrišiūnas, R. Šniaukas, L. Minkevičius, I. Kašalynas, G. Račiukaitis

Zone plates with integrated band-pass filters and binary Fresnel lenses designed for the THz spectral range were fabricated by direct laser ablation in metal films and the silicon substrate. Results on the process performance and quality of the products are reviewed. The focusing performance was measured using the THz source that produces the 580 GHz radiation. The beam was directed to the centre of the fabricated optical elements. Zone plates with integrated band-pass filters have shown the double performance in focusing and spectral selection. The dependence of ablation rate and surface roughness on the laser process parameters was thoroughly investigated on the silicon. The depth of the ablated grooves linearly depends on the number of laser scans number with a particular slope for each scanning speed. The process regime with the 125 mm/s scanning speed provided the most precise control over the ablation depth. The topography measurements of the laser fabricated multilevel phase zone plates (Fresnel lenses) with the 10 mm focal length showed good agreement with the calculated topography. The intensity distribution of the focus spots using the laser fabricated 2, 4 and 8 level binary Fresnel lenses showed better focusing performance when more depth levels were applied in the lens production.

Published: 2017.   Source: Proc. SPIE 10091, 100910F (2017)

3. Fibonacci terahertz imaging by silicon diffractive optics

Authors:  D. Jokubauskis, L. Minkevičius, M. Karaliūnas, S. Indrišiūnas, I. Kašalynas, G. Račiukaitis, G. Valušis

Fibonacci or bifocal terahertz (THz) imaging is demonstrated experimentally employing a silicon diffractive zone plate in continuous wave mode. Images simultaneously recorded in two different planes are exhibited at 0.6 THz frequency with the spatial resolution of wavelength. Multifocus imaging operation of the Fibonacci lens is compared with a performance of the conventional silicon phase zone plate. Spatial profiles and focal depth features are discussed varying the frequency from 0.3 to 0.6 THz. Good agreement between experimental results and simulation data is revealed.

Published: 2018.   Source: Optics Letters. 43(12), 2795-2798 (2018)

Photopolymerization

1. Thermal control of SZ2080 photopolymerization in four-beam interference lithography

Authors:  Ž. Prielaidas, S. Juodkazis, E. Stankevičius

Photopolymerization by four-beam interference lithography on a preheated SZ2080 sample was explored at different initial temperatures of the sample: 20 °C, 50 °C, 75 °C, 100 °C, 125 °C, and 150 °C, and at exposure times ranging from 0.5 s to 5 s. The average laser power selected was ∼100 mW for the 300 ps duration pulses at a 1 kHz repetition rate. The experimental results demonstrate that the higher initial temperature of the sample positively influences the crosslinking of the patterns. These findings will improve polymerization protocols for multi-beam interference lithography.

Published: 2020.   Source: Phys. Chem. Chem. Phys., 2020,22, 5038-5045

2. Photo-polymerization differences by using nanosecond and picosecond laser pulses

Authors:  E. Stankevičius, E. Daugnoraitė, A. Selskis, S. Juodkazis, G. Račiukaitis

Formation of polymeric pillars by using laser interference lithography is compared for nanosecond and picosecond laser pulses. The experimental results are explained by dynamics of laser-excited radicals. The shape of fabricated structures demonstrates that thermal accumulation and oxygen diffusion from the surrounding air make an influence on polymerization when the pulse duration is in the nanosecond range. By using picosecond laser pulses, the thermal accumulation and oxygen diffusion effects are not important for low repetition rate (500 Hz), and they become relevant only at the repetition rates higher than ≥ 1 kHz. It is shown that thermal accumulation is caused by a low-temperature diffusivity and heat accumulation at the polymer-glass interface, and it plays a significant role in the final shape of the structures fabricated using the nanosecond laser pulses.

Published: 2017.   Source: Optics Express, 25(5) 4819- 4830 (2017)

3. Mechanism of pillars formation using four-beam interference lithography

Authors:  E. Stankevičius, E. Daugnoraitė, G. Račiukaitis

Three different experiments were performed in order to determine the mechanism of pillars formation using four-beam interference lithography. The experimental results demonstrate that pillars, fabricated in argon gas, were wider and higher compared with the pillars fabricated in nitrogen gas, low vacuum or air. It clearly indicates that the pillar bottom widening effect is not affected by the depletion of atmospheric oxygen as in all environments the fabricated pillars have a wider bottom part. Moreover, the shape of the fabricated pillars is not affecting by the back reflection from the positioning stage and by the light irradiation conditions. These results clearly indicate that the photopolymerization process is enhanced by the heat current and it determines the pillar bottom widening effect.

Published: 2019.   Source: Optics and Lasers in Engineering 116, 41-46 (2019)

Solar Cell Scribing

1. Picosecond Laser Modification of CIGS Active Layer

Authors:  P. Gečys, E. Markauskas, A. Žemaitis, G. Račiukaitis

Cu-chalcopyrite based solar cells such as Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) have been established as the most efficient thin-film technology in converting sunlight into electricity. Laser scribed monolithic interconnects are one of the key technologies which will play a significant role in future develop-ments of CIGS technology. Laser scribing is needed to maintain module efficiency by dividing large scale device to smaller cells interconnected in series. CIGS layer is a thermally sensitive material, and laser modification can induce local structural changes of the active layer and significantly modi-fy the electrical properties. Therefore, the laser modified region can act as series interconnect be-tween the adjacent cells. In this study, we investigated the laser modification of the CIGS active layer with picosecond laser. The EDS analysis revealed the increase of Cu/(In+Ga) ratio in laser treated areas while Raman measurements indicated changes in main CIGS peak and formation of the Cu-rich CuGaSe2 phase. Therefore, this resulted in significant electrical conductivity increase in laser-treated areas. Electrical testing of the laser performed P2 micro-welds showed scribe conduc-tivities up to 9.3 Ω·cm which are acceptable for the cell serial interconnection.

Published: 2016.   Source: J. of Laser Micro/Nanoengineering, 11(2) 257-260 (2016)

2. CIGS thin-film solar module processing: case of high-speed laser scribing

Authors:  P. Gečys, E. Markauskas, S. Nishiwaki, S. Buecheler, R. De Loor, A. Burn, V. Romano, G. Račiukaitis

In this paper, we investigate the laser processing of the CIGS thin-film solar cells in the case of the high-speed regime. The modern ultra-short pulsed laser was used exhibiting the pulse repetition rate of 1 MHz. Two main P3 scribing approaches were investigated – ablation of the full layer stack to expose the molybdenum back-contact, and removal of the front-contact only. The scribe quality was evaluated by SEM together with EDS spectrometer followed by electrical measurements. We also modelled the electrical behavior of a device at the mini-module scale taking into account the laser-induced damage. We demonstrated, that high-speed process at high laser pulse repetition rate induced thermal damage to the cell. However, the top-contact layer lift-off processing enabled us to reach 1.7 m/s scribing speed with a minimal device degradation. Also, we demonstrated the P3 processing in the ultra-high speed regime, where the scribing speed of 50 m/s was obtained. Finally, selected laser processes were tested in the case of mini-module scribing. Overall, we conclude, that the top-contact layer lift-off processing is the only reliable solution for high-speed P3 laser scribing, which can be implemented in the future terawatt-scale photovoltaic production facilities.

Published: 2017.   Source: Scientific Reports. 7, 40502 (2017)

Fast Periodic Microstructuring of Large Area Surfaces

1. Nanoscale thermal diffusion during the laser interference ablation using femto-, pico-, and nanosecond pulses in silicon

Authors:  M. Gedvilas, S. Indrišiūnas, B. Voisiat, E. Stankevičius, A. Selskisa, G. Račiukaitis

Laser interference ablation in silicon using femto-, pico-, and nanosecond pulses was investigated. The experimental and computational results provide information about nanoscale thermal diffusion during the ultra-short laser–matter interaction. The temperature modulation depth was introduced as a parameter for quality assessment of laser interference ablation. Based on the experiments and calculations, a new semi-empirical formula which combines the interference period with the laser pulse duration, the thermal modulation depth and the thermal diffusivity of the material was derived. This equation is in excellent agreement with the experimental and modelling results of laser interference ablation. This new formula can be used for selecting the appropriate pulse duration for periodical structuring with the required resolution and quality.

Published: 2018.   Source: Phys. Chem. Chem. Phys., 2018, 20, 12166-12174

2. In situ formation and photo patterning of emissive quantum dots in organic small molecules

Authors:  A. K Bansal, M. T. Sajjad, F. Antolini, L. Stroea, P. Gečys, G. Raciukaitis, P. André, A. Hirzer, V. Schmidt, L. Ortolani, S. Toffanin, S. Allard, U. Scherf, I. Samuel

Nanostructured composites of inorganic and organic materials are attracting extensive interest for electronic and optoelectronic device applications. Here we report a novel method for the fabrication and patterning of metal selenide nanoparticles in organic semiconductor films that is compatible with solution processable large area device manufacturing. Our approach is based upon the controlled in situ decomposition of a cadmium selenide precursor complex in a film of the electron transporting material 1,3,5-tris(N-phenyl-benzimidazol-2-yl)-benzene (TPBI) by thermal and optical methods. In particular, we show that the photoluminescence quantum yield (PLQY) of the thermally converted CdSe quantum dots (QDs) in the TPBI film is up to 15%. We also show that laser illumination can form the QDs from the precursor. This is an important result as it enables direct laser patterning (DLP) of the QDs. DLP was performed on these nanocomposites using a picosecond laser. Confocal microscopy shows the formation of emissive QDs after laser irradiation. The optical and structural properties of the QDs were also analysed by means of UV-Vis, PL spectroscopy and transmission electron microscopy (TEM). The results show that the QDs are well distributed across the film and their emission can be tuned over a wide range by varying the temperature or irradiated laser power on the blend films. Our findings provide a route to the low cost patterning of hybrid electroluminescent devices.

Published: 2015.   Source: Nanoscale, 7(25), 11163-11172 (2015)

3. Fluorescence Microscopy Study of CdS quantum dots Obtained by Laser Irradiation from a Single Source Precursor in Polymeric Film

Authors:  F. Antolini, M. Lanzi, G. Raciukaitis

Recently the quantum dots (QDs) synthesis from single source precursors (SSPs) showed a potential interest for patterning formation of nano-composites. In this approach the SSPs have to be mixed with a matrix that afterwards is treated selectively to obtain the desired nanocomposite. The study of the generation of the QDs from the SSPs is, therefore, crucial for the definition of its behaviour within the polymeric matrix.

The formation of the CdS QDs via thermolysis of the cadmium diethyldithiocarbamate (CdDDTC) was performed and studied in the presence of a non coordinating solvent such as octadecene (ODE) in presence of myristic acid (MA) as ligand.

The precursor is then studied in combination with the poly(methyl methacrylate) (PMMA) polymer for the generation of the CdS QDs under the laser irradiation within a film. The effect of the laser has been studied both on neat PMMA and on the polymer/precursor blend film with the aid of the fluorescence microscope.

The results are used to identify the optimal laser parameters to obtain the decomposition of the precursor and to evaluate the effect of the laser irradiation on the polymer.

Published: 2017.   Source: Materials Today: Proceedings, 4, Supplement 1, s19-s26 (2017)

Direct Laser Writing

1. Thermochemical writing with high spatial resolution on Ti films utilising picosecond laser

Authors:  V.P. Veiko, R.A. Zakoldaev, E.A. Shakhno, D.A. Sinev, Z.K. Nguyen, A.V. Baranov, K.V. Bogdanov, M. Gedvilas, G. Račiukaitis, L.V. Vishnevskaya, E.N. Degtyareva

In this paper, we investigate the local oxidation of titanium thin films under the action of picosecond laser pulses. Periodical structures were recorded by the multi-beam interference scheme utilizing various numbers of laser beams, and the relationship between spatial resolution and the contrast of the structures was studied. The Raman spectra of the laser processing regions confirmed the oxidation even under the action of a single picosecond pulse. An analytical simulation of titanium film oxidation in the interference field was provided, and obtained results are correlated with the experimental data. The results of theoretical modeling show that the thermochemical effects of picosecond laser pulses allow recording periodic structures with a period of 0.65 lines per μm. The demonstrated results are important in the adaptation of technological laser systems for the manufacture of diffractive optical elements.

Published: 2019.   Source: Optical Materials Express 9, 2729-2737 (2019)

2. Compact diffractive optics for THz imaging

Authors:  L. Minkevičius, S. Indrišiūnas, R. Šniaukas, G. Račiukaitis, V. Janonis, V. Tamošiūnas, I. Kašalynas, G. Valušis

We present a compact diffractive silicon-based multilevel phase Fresnel lens (MPFL) with up to 50 mm in diameter and a numerical aperture up to 0.86 designed and fabricated for compact terahertz (THz) imaging systems. The laser direct writing technology based on a picosecond laser was used to fabricate diffractive optics on silicon with a different number of phase quantization levels P reaching an almost kinoform spherical surface needed for efficient THz beam focusing. Focusing performance was investigated by measuring Gaussian beam intensity distribution in the focal plane and along the optical axis of the lens. The beam waist and the focal depth for each MPFL were evaluated. The influence of the phase quantization number on the focused beam amplitude was estimated, and the power transmission efficiency reaching more than 90% was revealed. The THz imaging of less than 1 mm using a robust 50 mm diameter multilevel THz lens was achieved and demonstrated at 580 GHz frequency.

Published: 2018.   Source: Lith. J. Phys. 58, 99-107 (2018)

Bio-inspired Shark-skin-like Surface Structuring  / 3D Laser Milling Technology

1. Laser-Ablated Silicon in the Frequency Range From 0.1 to 4.7 THz

Authors:  S .Indrišiūnas, E. Svirplys, H. Richter, A. Urbanowicz, G. Račiukaitis, T. Hagelschuer, H.W. Hübers, I. Kašalynas

The optical performance of high-resistivity silicon with a laser-ablated surface was studied in the transmission mode in the frequency range of 0.1-4.7 THz. A reciprocal relationship between the transmission brightness and the surface roughness was observed at discrete THz frequencies. The measured dispersion was reproduced by the THz wave scattering theory using an effective refractive index model. No significant differences between the samples processed either with psor ns-duration laser pulses in ambient air or in argon enriched atmosphere were found in the THz regime. It was demonstrated that the majority of optical losses of the silicon with the laser modified surface were due to the scattering of THz waves and not due to the absorption in silicon-compounds formed during the laser ablation.

Published: 2019.   Source: IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, vol. 9, no. 6, pp. 581-586, Nov. 2019.

2. Irradiation of Diamond-Like Carbon Films by Picosecond Laser Pulses

Authors:  L. Marcinauskas, A. Grigonis, L. Vigricaitė, Ž. Rutkūnienė, M. Gedvilas, G. Račiukaitis

The picosecond laser irradiation of diamond-like carbon (DLC) film on the silicon wasinvestigated. The DLC films were irradiated by Nd:YVO4 laser with the infrared (1064 nm, fluency 1.02 J/cm2) and ultraviolet (355 nm, fluency 0.79 J/cm2) wavelengths with 1, 10, and 100 pulse numbers per spot. The energy dispersive X-ray spectroscopy and microRaman spectroscopy measurements indicated that the full ablation area of the DLC was narrower than laser beam radius of the 1064 nm wavelength with 10 and 100 pulses. The increase of the oxygen concentration was obtained near the ablation areas after irradiation with the first harmonic. The microRaman and SEM measurements demonstrated that the DLC film was fully ablated in the laser spot when the third harmonic was used. The formation of silicon carbide (SiC) in the center of the irradiated spot was found after 100 pulses.

Published: 2014.   Source: Journal of Laser Micro/Nanoengineering, 10(1), 43-48 (2015)

3. Laser processing for precise fabrication of the THz optics

Authors:  B. Voisiat, S. Indrišiūnas, R. Šniaukas, L. Minkevičius, I. Kašalynas, G. Račiukaitis

Zone plates with integrated band-pass filters and binary Fresnel lenses designed for the THz spectral range were fabricated by direct laser ablation in metal films and the silicon substrate. Results on the process performance and quality of the products are reviewed. The focusing performance was measured using the THz source that produces the 580 GHz radiation. The beam was directed to the centre of the fabricated optical elements. Zone plates with integrated band-pass filters have shown the double performance in focusing and spectral selection. The dependence of ablation rate and surface roughness on the laser process parameters was thoroughly investigated on the silicon. The depth of the ablated grooves linearly depends on the number of laser scans number with a particular slope for each scanning speed. The process regime with the 125 mm/s scanning speed provided the most precise control over the ablation depth. The topography measurements of the laser fabricated multilevel phase zone plates (Fresnel lenses) with the 10 mm focal length showed good agreement with the calculated topography. The intensity distribution of the focus spots using the laser fabricated 2, 4 and 8 level binary Fresnel lenses showed better focusing performance when more depth levels were applied in the lens production.

Published: 2017.   Source: Proc. SPIE 10091, 100910F (2017)

4. Rapid high-quality 3D micro-machining by optimised efficient ultrashort laser ablation

Authors:  A. Žemaitis, M. Gaidys, P. Gečys, G. Račiukaitis, M. Gedvilas

Solid-state lasers with pulse duration of 10 ps and radiation wavelength of 1064 nm were used to investigate the laser ablation efficiency dependence on processing parameters: laser fluence (pulse energy and beam spot size), beam scanning speed, pulse repetition rate, and scanned line (hatch) distance for the copper sample. Utilising a 40 W power laser, the highest ablation efficiency of 2.5 µm3/µJ and the ablation rate of 100 µm3/µs with the smallest surface roughness of 0.2 µm was obtained. Three-dimensional (3D) fabrication using a galvanometer scanner and layer-by-layer removal technique with optimal parameters defined for efficient ablation were demonstrated at a rate of 6 mm3/min. Combination of high material removal rate with excellent quality and complex 3D structure formation is in a high interest for mimicking bio-inspired surfaces, micro-mould fabrication and decorative applications.

Published: 2018.   Source: Optics and Lasers in Engineering 114 (2019) 83–89

5. High-efficiency laser fabrication of drag reducing riblet surfaces on pre-heated Teflon

Authors:  A. Žemaitis, J. Mikšys, M. Gaidys, P. Gečys, M. Gedvilas

Bio-inspired surfaces are able to decrease friction with fluids and gases. The most recognizable are shark-skin-like riblet surface structures. Such bio-inspired surfaces can be formed by the laser ablation technique. In this work, bio-inspired riblet surfaces with grooves were formed using picosecond ultraviolet laser ablation on pre-heated polytetrafluoroethylene (PTFE) at various sample temperatures. The ablation of hot PTFE was found to be 30% more efficient than the conventional laser structuring at the room temperature. The friction of structured PTFE surfaces with the flowing air was investigated by using drag a measurement setup. Results show the decrease of friction force by 6% with dimensionless riblet spacing around 14–20.

Published: 2019.   Source: Materials Research Express 6, 065309 (2019)

6. Picosecond Pulsed Laser Ablation for the Surface Preparation of Epoxy Composites

Authors:  F. Palmieri, R. Ledesma, T. Fulton, A. Arthur, K. Eldridge, S. Thibeault, Y. Lin, C. Wohl, J. Connell

As part of a technical challenge under the Advanced Composites Program, methods for improving pre-bond process control for aerospace composite surface treatments and inspections, in conjunction with Federal Aviation Administration guidelines, are under investigation. The overall goal is to demonstrate high fidelity, rapid and reproducible surface treatment and surface characterization methods to reduce uncertainty associated with the bonding process. The desired outcomes are reliable bonded airframe structure, and reduced timeline to certification. In this work, laser ablation was conducted using a q-switched Nd:YVO4 laser capable of nominal pulse durations of 8 picoseconds (ps). Aerospace structural carbon fiber reinforced composites with an epoxy resin matrix were laser treated, characterized, processed into bonded assemblies and mechanically tested. The characterization of ablated surfaces were conducted using scanning electron microscopy (SEM), water contact angle (WCA) goniometry, micro laser induced breakdown spectroscopy (μLIBS), and electron spin resonance (ESR). The bond performance was assessed using a double cantilever beam (DCB) test with an epoxy adhesive. The surface characteristics and bond performance obtained from picosecond ablated carbon fiber reinforced plastics (CFRPs) are presented herein.

Published: 2017.   Source: https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20170006187

Sapphire Stealth Dicing

Multi-photon absorption enhancement by dual-wavelength double-pulse laser irradiation for efficient dicing of sapphire wafers

Authors:  M. Gedvilas, J. Mikšys, J. Berzinš, V. Stankevič, G. Račiukaitis

The evidence of multi-photon absorption enhancement by the dual-wavelength double-pulse laser irradiation in transparent sapphire was demonstrated experimentally and explained theoretically for the first time. Two collinearly combined laser beams with the wavelengths of 1064 nm and 355 nm, inter-pulse delay of 0.1 ns, and pulse duration of 10 ps were used to induce intra-volume modifications in sapphire. The theoretical prediction of using a particular orientation angle of 15 degrees of the half-wave plate for the most efficient absorption of laser irradiation is in good agreement with the experimental data. The new innovative effect of multi-photon absorption enhancement by dual-wavelength double-pulse irradiation allowed utilisation of the laser energy up to four times more efficiently for initiation of internal modifications in sapphire. The new absorption enhancement effect has been used for efficient intra-volume dicing and singulation of transparent sapphire wafers. The dicing speed of 150 mm/s was achieved for the 430 μm thick sapphire wafer by using the laser power of 6.8 W at the repetition rate of 100 kHz. This method opens new opportunities for the manufacturers of the GaN-based light-emitting diodes by fast and precise separation of sapphire substrates.

Published: 2017.   Source: Scientific Reports, 7, 5218 (2017)

Metal Black / Color Marking

Corrosion Resistive Laser Marking of Stainless Steel by Atlantic Series Picosecond Laser

Authors:  M. Gedvilas, G, Račiukaitis

Medical tools and other devices made of stainless steel (SS) require laser markings for unique device identification (UDI). These markings need to be corrosion resistant in order to withstand numerous autoclave cycles. EKSPLA with FTMC has developed a picosecond laser marking system – for reliable UDI marks on surgical and spring grade of stainless steel for corrosion resistive applications.

Published: 2017.   Source: Ekspla Application notes.

Glass Processing

Glass dicing with elliptical Bessel beam

Authors:  J. Dudutis, R. Stonys, G. Račiukaitis, P. Gečys

In this paper the possibility to optimize the glass dicing process by controlling the axicon-generated Bessel beam ellipticity is presented. Single-shot intra-volume modifications in soda-lime glass followed by dicing experiments of 1 mm-thick samples are performed. The Bessel beam ellipticity is essential for glass dicing process. Such beam generates intra-volume modifications with transverse crack propagation in dominant direction. Orientation of these modifications parallel to the dicing direction gives significant advantages in terms of processing speed, glass breaking force and cutting quality.

Published: 2019.   Source: Optics & Laser Technology, 111, 331-337 (2019)