Základy oboru kvantové fyziky, položené v 50. letech minulého století, daly vzniknout i zcela novému oboru, oboru fotoniky, zabývajícímu se vlastnostmi a metodami využití optického záření s kvantovým charakterem interakce toku fotonů, metodami jeho generování, detekce nebo i přeměn na jiné druhy energie. Tehdy se poprvé objevil i předchůdce dnešního laseru – způsob zesilování mikrovln stimulovanou emisí záření, označený symbolem MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), aby o několik let později, v roce 1960, spatřil světlo světa už
i skutečný LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).
Za dobu, která od tohoto objevu uplynula, pronikl laser prakticky do všech oborů lidské činnosti a dynamikou rozvoje překonává tempa rozvoje jiných technologií. Postupně dosáhl takové úrovně, že dnes se na objev laseru nahlíží v kontextu poznání nejdůležitějších fyzikálních jevů za celou existenci lidstva a svou závažností je objev laseru přirovnáván i k takovým jevům, jakými jsou např. objev elektrického proudu nebo štěpení atomového jádra.
Mezinárodní rok světla
Také jako vzpomínku na 55. výročí objevu laseru vyhlásilo Valné shromáždění Organizace spojených národů rok 2015 za Mezinárodní rok světla a technologií založených na světle. Už to samo o sobě svědčí o natolik široké nabídce laserových technologií, že pro jejich bližší poznávání je třeba co nejvíce zapojit i nejširší veřejnost. Probíhá řada doprovodných akcí, které si dávají za cíl význam objevu laseru představit nejen v oblasti vědních disciplín, ale i v oborech, které vstupují běžně do naší každodenní činnosti. Rozsah a náročnost oboru a úroveň poznávání kolem samotného laseru
i laserové techniky dávají vzniknout novým vývojovým směrům, kdy stále častěji vyvstává potřeba společných postupů. Vznikají nová komplexní střediska laserového výzkumu a vývoje, ať už při vysokých školách a výzkumných ústavech, nebo jako specializovaná vědeckovýzkumná a vývojová centra. Jen v Německu, které je pro vývoj laserových průmyslových technologií uznávanou prvořadou velmocí, tak např. nedávno zahájilo svou činnost, a to už jako devětadvacáté v pořadí, průmyslově orientované laserové centrum při univerzitě RWTH a Fraunhofer Institutu ILT v Cáchách, zatímco pro úkoly laseru v medicíně, která rovněž patří k nejčastějším oborům využívajícím laserových aplikací, se připravuje od příštího roku provoz v rámci mnichovského Center for Advanced Laser Applications CALA.
Pro Českou republiku, která má – i ještě z dob Československa – poměrně dobrou tradici ve vývoji i výrobě některých laserových systémů a kde se osvědčila i mezinárodní spolupráce v rámci badatelského centra PALS, je rok 2015 významný především zahájením provozu laserového průmyslového centra HiLASE s postupnou dostavbou a uváděním do provozu laserového centra ELI Beamlines (Extreme Light Infrastructure).
Hlavním cílem projektu HiLASE, připravovaného v Dolních Břežanech ve spolupráci s britským Science and Technology Facilities Council (STFC), je vývoj průmyslových laserových technologií a laserů s diodovým čerpáním cestou dosahování vyšších výkonů při obecně průlomových technických parametrech. Lasery by měly být i kompaktnější, s menším požadavkem na údržbu. Výstupy tohoto projektu budou použity jak pro průmyslové laserové technologie, tak i pro technologie optiky a optických komponentů. Projekt Extreme Light Infrastructure (ELI) je součástí evropského plánu na vybudování nové generace velkých výzkumných zařízení vybraných Evropským strategickým fórem pro výzkumné infrastruktury (ESFRI). Postupně bude sdružovat tři laserová centra – v České republice (Dolní Břežany), Maďarsku a Rumunsku. ELI Beamlines má být prvním zařízením na světě poskytujícím experimentální čas studiím, které využívají ultrakrátkých relativistických svazků a synchronizovaných vysokointenzivních laserů, elektronových svazků, zdrojů rentgenového záření
a attosekundových zdrojů. Má být jedinečné i v tom, že umožní tyto zdroje nezávisle kombinovat a přizpůsobovat je tak požadavkům specifických experimentů. Po zprovoznění bude k dispozici i laser, který bude dodávat ultrakrátké pulsy, trvající i jen několik femtosekund a produkovat výkon až 10 PW.
Pro výkonové porovnání, kam laser od doby svého objevu dospěl, se ještě jednou na skok vrátíme do roku 1960. Tehdy se objev laseru týkal provedení s xenonovou výbojkou a oproti současnému stavu dosahoval laser jen nepatrného výkonu. Dnes, po vývoji různých typů laserů, narostl natolik, že vhodným laserem je možné např. přenášet velký objem dat i na kosmické vzdálenosti a dokonce se o laseru, při výkonu 20–150 kW podle řešitelů úkolů, reálně uvažuje i jako o nástroji pro likvidaci překážejících zbytků kosmických těles v kosmickém prostoru. V tom případě energie laserového paprsku při dopadu na takový objekt jeho určitou část odpaří, tím se sníží rychlost objektu, který se tak dostane z oběžné dráhy do zemské atmosféry, kde shoří nebo dopadne na zemský povrch.
Laserové technologie pro průmysl
Pro průmyslové aplikace laserů je k dispozici už celá škála variant technologických laserů. Od klasických CO2 nebo Nd:YAG laserů, excimerových a polovodičových laserů v posloupnosti k novějším CO2 laserům s deskovou („slab“) nebo koaxiální formou elektrod přes pevnolátkové typy laserů jak s deskovou („innoslab“), tak i diskovou formou aktivního média ke stále efektivnějším polovodičovým laserům a zejména pak po roce 2000 k výkonovým vláknovým laserům. A právě vláknové lasery, kde ke generování paprsku dochází v jádru optického vlákna dopovaného prvky vzácných zemin způsobem efektivnějším oproti jiným typům laserů, mohou být v nejbližších letech, vedle diskových laserů se svou špičkovou jakostí paprsku, zdrojem mnoha nových aplikací. A navíc stavba vláknového laseru se ukazuje i jako mimořádně vhodná pro kombinovanou technologii Microjet, progresivní metodu budoucnosti, s využitím předností paprsku laseru při jeho vedení vodním sloupcem.
Vývoji laserů odpovídá i vývoj laserových technologií s požadavky na zpracování různých materiálů s různou absorpcí laserového paprsku. Těch 20 kW, uvedených dříve sice u jiné funkce, představuje pro průmyslové technologie, ať už jde o obrábění, mikroobrábění, řezání, svařování nebo technologie povrchových úprav, plně postačující maximum a většinou se vystačí už i s daleko menším výkonem kolem 5 kW. Je řada faktorů, které rozhodují o optimálním využívání jednotlivých typů laserů, ale k těm základním technickým faktorům tu pak vedle vlnové délky patří výkon laseru, kvalita laserového paprsku, délka a výkon v pulzu. Pro uživatele laserových technologií k tomu samozřejmě přistupují i ekonomické faktory, ale tady je možné říci, že obecně u laserových technologií dochází k trvale příznivější relaci mezi cenou laseru a výkonem, což poskytuje stále širší využitelnost laseru jako výrobního nástroje i u menších a středních podniků.
S vývojem nových typů laserů se daly pro průmyslové aplikace realizovat i zdroje s ultrakrátkými pulzy, a to i pod 100 femtosekund, tzv. „studené lasery“, s délkou pulzu kratší, než může stačit k náběhu teploty do okolní zóny. Extrémně vysoký špičkový výkon v pulzu v hodnotě stovek MW přitom působí při tak malé délce pulzu na absorpci materiálu takovým způsobem, že např. řada materiálů, které se jevily pro laserový paprsek původně jako transparentní, může být dnes laserem opracována. Při pulzu laserového paprsku ve femtosekundách se nemění ani struktura okolní zóny a přesnost při obrábění dosahuje i submikrometrových rozměrů. To všechno jsou pro průmyslové aplikace laseru tak podstatné jevy, že na jejich základě vzniká celá řada nových technologií. Pro lasery přestává být problémem zpracování mědi a jejích slitin, svařují se různorodé materiály. Užití laserů s ultrakrátkými pulzy má svůj smysl i při strukturování povrchů a při strukturování vícevrstvých materiálů nedochází při ultrakrátké délce paprsku ani k poškozování spodní vrstvy. Zajímavou technologií je strukturování větších ploch, např. pro tribologii, kdy se hlavní paprsek laseru při dostatečném výkonu dělí pro urychlení procesu a vyšší produktivitu na více dílčích paprsků, s počtem i přes stovku. Zrovna tak jsou femtosekundové lasery ekonomicky vhodné pro opracování kompozitních materiálů, kde při užití jiných typů laserů může docházet k opalování nebo delaminaci hran,
a tak by se dalo pokračovat. Ale ani tady se vývoj nezastavuje a hledají se cesty, jak i při všech těchto technických přednostech laserů s ultrakrátkými pulzy dosahovat ještě vyšší produktivity. Ve výše zmiňovaném laserovém centru kolem ILT např. letos představili jednu z cest, modul k dalšímu zkracování pulzů s až čtyřnásobným účinkem. Jeden pikosekundový pulz se jím tak při stejné kvalitě paprsku dá zkomprimovat na 250 fs.
Aditivní technologie
Událostí letošního roku u průmyslových výrobkových laserových technologií se stávají aditivní technologie
a zvláště pak tempo jejich poměrně rychlého přechodu z laboratorní, prototypové výroby do běžné sériové v rámci oboru označovaného jako Laser Additive Manufacturing – LAM. Aditivní znamená, že při vytváření výrobku se materiál pomocí laseru přidává, většinou po vrstvách, oproti jeho úběru u jiných technologií. Vedle výrobní jednoduchosti při procesu řízeném podle CAD dat to znamená i materiálovou efektivnost, kdy se využije v podstatě celých 100 % výchozích surovin. Proces je to obdobný jako dnes často citovaná technologie 3D tisku u výrobků z plastů. Laserem se zpracovávají i kovové nebo keramické prášky, které se po vrstvách spékají (metoda SLS Selective Laser Sintering) nebo natavují (metoda SLM Selective Laser Melting). Ani tady vývoj ale nezůstává na chvilku stát, dosavadní úspěchy, dosažené spíše u menších výrobků, dávají vzniknout, a sice zase v ILT , dokonce novému procesu u výrobního, prakticky rozměrově „bezlimitního“ prototypu, kde skener nahrazuje laserová hlava, složená z jednotlivě řízených diodových laserů, anebo pak při vyšších výkonech laseru hlava s dělením hlavního paprsku laseru na dílčí paprsky.
A obdobný je pohled na vývoj i jiných průmyslových technologií. Kdo by ještě nedávno něco byť jen tušil o vícepolohovém laserovém oscilačním svařování bloků až do tloušťky 200 mm při jen 5kW pevnolátkovém laseru? Kdo by si ještě před pár lety dovedl představit, že s laserem se dají řezat ocelové tabule plechu i do tloušťky 50 mm, když po dlouhou dobu se za maximum pokládalo 25 mm? CO2 lasery, u kterých se uvažovalo při intenzivním vývoji diskových a vláknových laserů a jejich využití nejen pro řezání tenkých či středně tlustých plechů téměř s odchodem do penze, dostávají tak nový náboj svého dalšího využití. A kdo by si vůbec dokázal představit, že principem stejný CO2 laser se stává základem pro vývoj v oblasti extrémně ultrafialové EUV s vlnovou délkou 11–14 nm, která nabídne nejen pro průmysl řadu nových laserových aplikací a technologických inovací?
Ing. Jiří Šmíd
Grafy: Zdroj: Optech Consulting