Femtosekundslaser är namnet på den lasertyp som börjat dyka upp inom industrin efter att i många år haft sin givna plats i forskarlabbet. Idag används den exempelvis i grundforskning för att accelerera fria elektroner nästan till ljusets hastighet.

Jonas Tidström

– I laserlabbet på LTH i Lund används femtosekundslasrar bland annat för att göra relativistiska partikelexperiment, säger Jonas Tidström, teknikchef på Entangly.

Det som gör femtosekundslasern så speciell är de extremt korta ljuspulserna i kombination med mycket hög effekt. För att åskådliggöra hur pulserna ser ut jämför Entangly dem med flygande pannkakor.

– En flygande pannkaka kan visuellt illustrera hur en uppförstorad puls skulle kunna se ut om man översätter ljuspulsens längd i tid med en sträcka.

– Pulsens längd är alltså kortare än dess utbredning, och då händer det ganska spännande saker som inte förekommer hos en vanlig laser, säger Jonas Tidström.

Kort om en femtosekund En femtosekund är 10–15 sekunder, alltså 0,000000000000001 sekunder. Fast den definitionen ger ingen större känsla för hur extremt kort tid det faktiskt handlar om. Två beskrivningar som kanske ger en mer intuitiv förståelse för tidsenheten är: • en femtosekund är lika kort i förhållande till en sekund, som en sekund är i förhållande till 32 miljoner år. • en femtosekund är tiden det tar för ljuset att färdas 300 nm.

Traditionella lasrar ger mycket hög koncentration av energi i rummet. Det som är unikt med femtosekundspulser är att de även ger väldigt hög koncentration av energin i tiden.

– Du koncentrerar din energi till att vara verksam både i rummet och i tiden. Det betyder att när pulsen når materialet som ska bearbetas, och interagerar med det, så hinner materialet inte reagera förrän processen är över.

Fenomenet kallas kall ablation, eller icke-termisk ablation.

Det som händer är att laserpulsen löser upp atombindningarna i materialet som bearbetas. Elektronerna, som är väldigt lätta partiklar, flyger iväg i en skur. Kort därpå sticker även det som är kvar av den tidigare atomen iväg.

För att detta ska ske krävs ett extremt starkt elektriskt fält. Laserpulsen har ett E-fält som är i samma storleksordning som atomens elektriska potential, vilket gör att fälten kancellerar varandra. Den processen går inte att uppnå med andra lasrar, till exempel en koldioxidlaser.

Visserligen har varje enskild ljuspuls inte speciellt hög energi, kanske 500 µJoule, men då allt sker extremt snabbt och med en pulsfrekvens på upp till en MHz blir den momentana effekten enorm.

Daniel Ljunggren

– Pulserna i den laser som vi använt har en toppeffekt på 1 GW. Då ska du veta att varje reaktor i Ringhals kärnkraftverk har cirka 1 GW, så toppeffekten hos varje puls är ungefär i storleksordningen av vad en av Ringhals reaktorer ger, säger Daniel Ljunggren, vd på Entangly.

Just egenskapen med kall ablation har gjort att femtosekundslasrar passar väl när bearbetningen av ett material kräver en mycket hög precision. Inom medtek används den bland annat för ögonoperationer, för att korrigera linser.

Entangly Entangly i Sollentuna norr om Stockholm, har fyra anställda och kan beskrivas som ett litet konsultföretag med affärsidén att kommersialisera optoteknik med rötter i forskarvärlden. Vd:n Daniel Ljunggren grundade företaget i december 2017, kort därpå kom teknikchef Jonas Tidström in som delägare. Både Daniel och Jonas har doktorerat inom fotonik och jobbat inom industrin. De är övertygade om att det inom industrin finns ett växande behov av att lösa tekniska utmaningar med ljus. Därför arbetar de med att ta teknik från forskarvärlden och göra den kommersiellt gångbar.

Vissa mobiltelefontillverkare använder tekniken för att skära ut mobilskärmen precist, och fordonstillverkare har börjat att använda femtosekundslaser för att göra mycket exakta hål i bränsleinsprutaren för att optimera utnyttjandet av bränsle.  

– Fördelen är att lasern inte smälter metall eller spräcker glas. Den passar även bra för keramiska material. Idag har man stora problem att skära ut vissa detaljer i keramer som är spröda och känsliga för värmeskillnader.

Men för ett litet konsultföretag som Entangly – med två experter på lasrar i spetsen – gäller det att hitta en egen nisch för att kunna konkurrera framåt.

– Det är lite kört att komma in och försöka erbjuda superspetskompetens på att skära i metall. Där finns redan väldigt många, väldigt duktiga.

– Vi har istället utvecklat en metod för att skära i cellulosabaserade material, och vi har varit duktiga på att hålla det lite hemligt. Tills nu när vi talar med dig.

För många är det säkert otippat att det är besvärligt att bearbeta papper och kartong med lasrar. Ta exempelvis en koldioxidlaser (CO2) som är den mest använda lasertypen idag.

Daniel Ljunggren visar hur en femtosekundslaser ser ut.

När en CO2-laser används för att skära i ett material upphettas det – det skapas närmast en momentan förångning. Det betyder att det nästan alltid blir kvar spår av en förbränning – lite sot och bränt i kanten.

– Speciellt i papper och kartong blir det väldigt lätt bränt med en CO2-laser, och det är ett problem.

Daniel och Jonas har många års erfarenhet av att hantera lasrar i alla dess former. En del i detta har varit att skära genom olika typer av papper och kartonger.

– Det har gjort att vi nu har utarbetat en metod för att göra det bra med femtosekundslasrar. Det är nästan magiskt hur perfekta skärytorna blir när man hittar rätt.

Exakt hur de gör vill de inte avslöja, men det handlar om att förstå hur parametrar som exempelvis repetitionsfrekvens, pulslängd, pulsenergi, polarisation samt andra egenskaper hos ljuset och materialet som ska bearbetas hänger ihop så att de kan fås att samverka på ett optimalt sätt.

– En annan viktig del är att du har bra kontroll på hur du fokuserar din laserstråle ner på materialet. Alla de sakerna spelar in.

Resultatet är så bra att Entangly fått stöd av Vinnova till att skriva en ansökan om ett EU-projekt tillsammans med forskningsinstitutet Rise och Tetra Pak. I EU-projektet, som just nu utvärderas, ingår förutom de ovan nämnda även Bitsim Now, som utvecklar elektronik- och visionsystem, och franska Amplitude, som är en världsledande tillverkare av femtosekundslasrar.

– Om vi får ett EU-projekt kommer Amplitude att inom ramen för projektet tillverka en laser som vi ska vara med och skräddarsy för våra tillämpningar.  

Hur det går är inte klart i skrivande stund, men Entangly tror sig ha en del trumfkort på hand. Dels finansierar EU numera gärna projekt inom detta segment av lasrar för att de ska nå ut i industrin och där höja nivån. Dels har femtosekundslasrar en enorm fördel jämfört med CO2-lasar när det kommer till miljöpåverkan.

– Verkningsgraden är i storleksordningen 30-50 procent bättre än hos CO2-lasrar, som är det man jämför med.

Skillnaden i verkningsgrad är baserad på att det ena är en gaslaser, vars gas måste fås att excitera för att lasra, medan femtosekundslasern är en så kallad solid-state-laser. Förutom att de är effektivare är de också mer robusta.

– Det är som att i elektronikbranschen jämföra hur man gått från transistorrör till halvledartransistorer, säger Daniel Ljunggren.

Artikeln är tidigare publicerad i magasinet Elektroniktidningen. Prenumerera kostnadsfritt!

Ett annat miljörelaterat problem som kan driva på utvecklingen är den stora användningen av plast.

– Internt är vi övertygade om det kommer att dyka upp många alternativa produkter på global nivå där man successivt byter ut plast mot papper. Då kan man fundera på vad som krävs i nästa steg av industrin när den måste kunna bearbeta cellulosa.

Ytterligare en kul detalj är att de tre forskare som ligger bakom den tekniken som alla femtosekundslasrar bygger på – kallad Chirped Pulse Amplification – fick nobelpris i fysik år 2018.

Ingressbild: Femtosekundslaser skär spår i papper lika lätt som en varm kniv i smör.