Dne 15. května si svět připomene
výročí objevu laseru a nástup fotoniky
Dynamický rozvoj laserové techniky
od 90. let minulého století
a také další vývoj už v našem novém
tisíciletí jsou ve znamení celé škály
nových variant technologických
laserů, ať už jsou to CO2 „Slab“ lasery
s deskovou formou elektrod nebo
u pevnolátkových typů „Innoslab“
lasery s deskovou formou krystalu.
Dále kotoučové lasery s aktivním
médiem ve tvaru tenkého kotouče,
polovodičové lasery se svou stále
lepší kvalitou paprsku a zejména
pak po roce 2000 výkonové vláknové
lasery. A právě vláknové lasery,
kde ke generování paprsku dochází
v jádru optického vlákna dopovaného
prvky vzácných zemin, způsobem
daleko efektivnějším oproti
jiným typům laserů, mohou být
v nejbližších letech zdrojem mnoha
překvapení a nového využití.
Přestože jejich původní myšlenka
je už staršího data, teprve v posledním
desetiletí se jejich výkon dostává
až na úroveň, požadovanou u náročných
průmyslových i jiných technologií.
Při své vysoké jakosti paprsku,
příznivě ovlivněné kvalitním chlazením
po celé délce vlákna, mají prakticky
neomezené možnosti využití.
Nemusí být ani nákladně justované,
mají termickou a mechanickou stabilitu,
malou stavbu. Teprve s těmito
typy laserů se daly efektivně realizovat
pro průmyslové aplikace zdroje
s ultrakrátkými pulzy i pod 100 femtosekund,
kde předností takových
procesů je skutečná minimalizace
tepelného ovlivnění okolí prováděné
operace a zabránění možnému tvoření
povrchových defektů. Ve femtosekundovém
rozsahu dokáže paprsek
laseru vytvořit stopu už i 0,3 ?m
a jeho střední výkon dosáhne i 50 W.
Takové parametry jsou požadavkem
nejrůznějších mikrotechnologií, ale
svůj dopad mají třeba i pro běžné
řezání, kdy při úzké stopě paprsku
a jeho větší hustotě výkonu může
růst zároveň rychlost řezu. Produktivita
roste i při způsobech označovaných
jako Remote-Schneiden
nebo Remote-Schweissen se skenem
laserového paprsku včetně stále více
využívaných technologií Tailored
Blanks či Tailored Tubes.
Kompaktní stavba vláknového
laseru se ukázala jako mimořádně
vhodná i pro technologii známou
pod označením Microjet, kde jde
o způsob řezání paprskem laseru
při jeho vedení vodním sloupcem.
Výkonný laserový paprsek se při této
metodě fokusuje na úroveň trysky
vodního sloupce a v trvale fokusovaném
stavu je pak tímto vodním sloupcem
veden celou operací řezu. Takový
postup má hned několik výhod.
Vynikající chlazení místa řezu vodou
sloupce, dosahování vyšších řezných
rychlostí oproti způsobům bez vedení
vodním paprskem, čistý beztrhlinkový
řez s naprosto paralelním tvarem hran
a především pak výhodu v tepelném
nezatěžování okolní zóny řezu.
Další studium metody Microjet
v kombinaci s vláknovým laserem,
v jehož rámci by měly vzniknout
i vzorové standardy, probíhá ve spolupráci
původce metody, švýcarské
firmy Synova SA, s výrobcem vláknových
laserů IPG Laser GmbH. Že
je takový krok potřebný, ukazují
rostoucí požadavky na tuto metodu
od výrobců prvků mikroelektroniky
a solárních článků a v neposlední
řadě i rostoucí nároky medicíny při
výrobě tzv. stentů, vyřezávaných
jemných, nejčastěji titanových pouzder,
vkládaných do cév pro jejich
lepší zprůchodnění a zabezpečení
krevního oběhu.
S jakou závažností svět k vláknovým
laserům přistupuje, ukazuje
i řada průzkumů jejich optimálního
využití. Je předpoklad, že pro svou
vysokou efektivnost se dostanou
v brzké době až na 30% podíl ve
struktuře všech průmyslových laserů.
Podrobnější rozbor připravuje
i nový projekt EU „LIFT – Leadership
in Fibre Laser Technologies“,
vyhlášený v závěru roku 2009. Pod
vedením Fraunhofer Institutu für
Werkstoff- und Strahltechnik IWS
se ho zúčastňují jak výzkumné
organizace, tak i výrobní podniky
z 9 evropských zemí. Úkolem projektu
je studium procesů a hledání
optima při užití vláknových laserů
v průmyslu jako celku, v medicíně,
při výrobě solárních a palivových
článků a při výrobě příští generace
integrovaných obvodů.
Ale i na stávajících principech
laserů vzniká celá řada nových
technologií a někdy i opačně vývoj
nových technologií v jiných oborech
je odkázán na vývoj nových nebo
úpravu dosavadních typů laserů, jako
nástrojů pro jejich provedení. Jedním
z příkladů může být požadavek
medicíny na vývoj laseru v systému
videoendoskopu s vyzařováním na
vhodné vlnové délce infračerveného
záření, při které je paprsek transparentní
při průchodu krví a kdy s jeho
pomocí je možné uskutečňovat řadu
diagnostických šetření i operačních
zásahů při přímém sledování.
Patří sem hlavně postupy v oblasti
kardiovaskulární a angiologie, kde
nárůst onemocnění, mnohdy oprávněně
nazývaných jako civilizační,
má v poslední době stoupající trend
a zasahuje stále širší oblast populace.
Úkol, který řeší Fraunhoferovy
instituty IAF a IMS, využívá laserového
polovodičového modulu
s dosažitelným vlnovým rozsahem
1,8 – 2,9 ?m, přičemž nejlepší rozlišení
obrazu se prokázalo kolem
2,2 ?m. Výsledky úkolu jsou natolik
pozitivní a pro medicínu závažné, že
pro další rychlou realizaci posléze
už standardní metody vznikla samostatná
společnost Angiocam Infrared
Vision System GmbH. K dosavadním
metodám zpracování obrazu,
jako je počítačová tomografie nebo
sonografie, získává tak medicína
laserový infračervený videoendoskop
s výhodou možné přímé asistence
od potřeb při stanovení diagnózy
až po operaci.
Silný tlak na průběžný vývoj stále
dokonalejších laserů s vyšší jakostí
paprsku a jeho užší fokusaci přichází
ale hlavně z oborů elektroniky a mikroelektroniky,
kde další miniaturizace
elektronických systémů naráží už
na hranice dosavadních technologických
možností. Příkladem může být
limit litografie, prezentované do této
doby většinou možnostmi excimerových
laserů s vyzařováním v ultrafialové
části spektra na vlnové délce
157 až 351 nm. Tady se cesta hledá
hlavně ve vývoji laserů s vyzařováním
v extrémně ultrafialové oblasti
(EUV) při vlnovém rozpětí 11 až 14
nm. Není to cesta přitom nijak jednoduchá.
EUV záření má svá odlišná
specifika, je dobře absorbované
všemi materiály, včetně vzduchu,
a proto celý proces musí probíhat ve
vakuu. Jiné jsou i nároky na masky
elektronických obvodů a užívanou
optiku, kde např. pro vysoce reflexní
zrcadla s odrazivostí až 70 % musely
být vyvinuté speciální siliciummolybdenové
vrstvy s odolností pro
teplotu až do 400 ?C.
Pro obory mikroelektroniky
a informační technologie přichází
jeden z dalších „zázraků“ fotoniky
z americké Purdue University. Po
50 letech od objevu laseru tu spatřila
světlo světa miniaturní verze
jeho varianty v rozměrových hodnotách
nanometrů.Tentokrát ne sice
ve funkci výrobního nástroje, jako
tomu bylo v předešlém odstavci, ale
jako stavební prvek mikroelektronických
obvodů a rychlý nosič informace.
Spaser, jak se nový „nanolaser“
označuje (Surface Plasmon Amplification
by Stimulated Emission of
Radiation), využívá ke své činnosti
plazmonů, kvant oscilací ve shlucích
elektronů v plazmě a jejich zesílení.
Ke generování plazmonů dochází
při osvitu zlatého jádra o průměru
14 nm a teprve po jejich zesílení
dochází ke konverzi na fotony viditelného
světla v podobě laserového
paprsku o vlnové délce 525 nm.
Taková varianta laseru je svou nm
velikostí schopná integrace do mikroelektronických,
resp. fotonických
obvodů a navíc ji čeká i široká oblast
působnosti ve stavbě mimořádně citlivých
senzorů.
A nakonec své požadavky na speciální
lasery si kladou i v jiných
oborech lidské činnosti, na řadě
jsou dokonalejší bezpečnostní systémy,
včetně systémů pro osobní
detekci výbušnin pomocí terahertzových
laserů, laserové systémy
na vyhledávání a likvidaci nášlapných
min a minových polí, kde své
místo nachází např. detekční a analytický
postup na principu laserem
indukované plazmové spektroskopie
LIBS (Laser Induced
Breakdown Spectroscopy) a stejně
jako už od počátků vývoje laseru
v šedesátých letech je laser a jeho
vývoj i dnes středem pozornosti
ve vojenství při vytváření stále
dokonalejší obranné strategie. Ale
o tom zase až příště. /jš/