Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> HiLASE - superlasery pro skutečný svět
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

HiLASE - superlasery pro skutečný svět

Lasery nové generace, jež doposud nemají ve světě obdoby, se vyvíjejí a testují v nově postaveném centru HiLASE v Dolních Břežanech u Prahy. Využití najdou v průmyslu i ve výzkumu. V nové budově působí téměř 60 laserových specialistů a techniků, z nichž přibližně polovina je ze zahraničních, často i velmi renomovaných pracovišť.

Na vesnici, přesto světoví

Centrum HiLASE se zabývá vývojem a aplikacemi pulzních pevnolátkových diodově čerpaných laserů s vysokou energií v pulzu a zároveň s vysokou opakovací frekvencí. Díky tomu výrazně posunuje současnou technologii pikosekundových a nanosekundových laserů a dostává se do dosud neprobádaného režimu vysokého průměrného výkonu na úrovni 1 kW. Lasery s těmito parametry nejsou v současné době dostupné, přitom však mají významný aplikační potenciál. HiLASE je odpovědí na tuto dlouhodobou celosvětovou poptávku a na posílení strategické pozice České republiky v tomto vysoce perspektivním oboru. Kromě vývoje laserových zdrojů se v centru řeší i jejich aplikační potenciál. V grafu 1 jsou zeleně znázorněny lasery HiLASE v porovnání s ostatními laserovými systémy vyvinutými různými světovými institucemi.

S koncem roku 2015 byla úspěšně završena realizační fáze projektu laserového centra HiLASE.

Máme to dobře zařízené

Centrum HiLASE je součástí Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR a v jeho čele stojí Ing. Tomáš Mocek, Ph.D., který udává směr celému projektu již od jeho zrodu v roce 2009, kdy byla připravena a podána projektová žádost. V rámci projektu jsou realizovány tři výzkumné programy. První dva mají za úkol vývoj laserových zdrojů. Jejich laboratoře jsou situovány v přízemí budovy na vibračně odstíněné podlaze v čistém prostředí třídy čistoty 10 000 a stálé teploty 20° ± 0,5° (ISO7). Laboratoře třetího výzkumného programu, zaměřeného na aplikace vyvíjených laserových zdrojů, sídlí v prvním patře. Díky uspořádání budovy je možné vést laserové paprsky nezávisle od různých laserů k jednotlivým experimentálním pracovištím. Současně tak mohou probíhat práce na několika experimentech nebo průmyslových aplikacích.


Porovnání laserů HiLASE s ostatními laserovými systémy vyvinutými různými světovými institucemi.

Výzkumný program 1 – pikosekundový laser

Výzkumný program 1, který se zabývá vývojem laserů založených na technologii tenkých disků, vede zkušený profesor Akira Endo z Japonska. Tato technologie využívá laserový krystal ve formě disku tlustého pouze několik stovek mikrometrů. Díky tomuto přístupu se zvýší povrch aktivního materiálu v poměru k celkovému objemu, což umožňuje provoz bez kryogenního chlazení a zlepšuje stabilitu generovaného laserového paprsku. Paralelně je vyvíjeno několik tenkodiskových systémů produkujících pikosekundové (10-12 s) laserové pulzy s vlnovou délkou 1 030 nm a energií od jednotek mJ až po jednotky J.

Systémy pracují s opakovací frekvencí od stovek Hz až po stovky kHz a dosahují středního výkonu na úrovni kW. Laserové zdroje s těmito parametry lze použít pro širokou škálu aplikací od testování optických komponent přes mikroobrábění a velmi přesné vrtání až po EUV litografii využitelnou v mikroelektronice pro výrobu mikročipů.

Porovnání různých typů laserů a jejich oblast použití

Výzkumný program 2 – velká energie v nanosekundách

Základním cílem Výzkumného programu 2 je vývoj diodově čerpaných pevnolátkových laserů za pomoci inovačních řešení odstraňujících současné technologické překážky generování pulzů s vysokou energií. Optimalizovaná sestava a vylepšené kryogenní chlazení krystalů dovolují dosáhnout energie přesahující 100 J při opakovací frekvenci 10 Hz a délce pulzů několik nanosekund. Navíc je možné tento laser v principu škálovat až k energii 1 kJ a více. Takovéto parametry nemá v současnosti žádné laserové zařízení na světě. Vedoucím toho programu je italský vědec Dr. Antonio Lucianetti, který má zkušenosti z laserových laboratoří ve Švýcarsku, Německu, Francii a USA.

Momentálně je již laserový systém VP-2 dokončen a probíhá jeho testování a náběh do provozních podmínek.

Systémy pracují s opakovací frekvencí od stovek Hz až po stovky kHz a dosahují středního výkonu na úrovni kW lze použít pro širokou škálu aplikací.

Po svém spuštění v budově HiLASE bude 100J laserový systém sloužit pro testování elektrooptických technologií pro průmysl a jako základna pro ověřování nových technologií v laserovém obrábění a modifikaci materiálů vyžadujících vysokou energii aplikovanou na velké ploše.


Vývoj diodově čerpaných pevnolátkových laserů za pomoci inovačních řešení je hlavním cílem výzkumného programu 2.

Výzkumný program 3 – aplikace laserů

Cílem tohoto výzkumného programu je výzkum a vývoj průmyslových aplikací a technologií využívajících laserů vyvíjených v rámci Výzkumného programu 1 a 2.
S postupným dokončováním laserových zdrojů tak přebírá aplikační skupina roli, v níž má za úkol uplatnit dosud nabyté zkušenosti a plně využít lasery HiLASE. Ačkoliv laserové systémy ještě nenaběhly na plný výkon, členové této skupiny již nyní spolupracují s průmyslovými firmami, jako jsou např. Staalboek, Crytur, Barum Continental, ČZ nebo Škoda Auto, na inovacích stávajících technologií.

U zavedených průmyslových aplikací se skupina zabývá předevšímvývojem a optimalizací technologií mikroobrábění, přesného řezání, odstraňování povlaků, popisování, ablace a laserového vyklepávání, tj. opracování povrchu materiálu rázovou vlnou generovanou laserem (peening). Právě technologie Laser Shock Peening (LSP) neboli vytvrzování povrchu materiálu rázovou vlnou pomocí laseru, je jedním z hlavních zaměření aplikačního týmu. Jedná se o velmi progresivní technologii, kde laserový paprsek generuje v povrchové vrstvě zpracovávaného materiálu tlaková zbytková napětí, která významně zlepšují únavové vlastnosti materiálu a omezují vznik a rozvoj povrchových trhlin. Tato technologie proto nalézá praktické uplatnění ve velmi náročných aplikacích, zejména v leteckém průmyslu. Jiným příkladem aktivit programu je stanice pro testování prahu poškození materiálu laserem, kterou mohou využít čeští i zahraniční výrobci laserové optiky nebo tenkých vrstev.

Přepokládáme, že vzhledem k výraznému pokroku v technologiích, kterých bylo dosaženo během vývoje laserových systémů HiLASE, se tyto systémy stanou velmi žádanými nástroji v řadě průmyslových a vědeckých aplikací. Snahou HiLASE proto není nabízet pouze čas na samotných laserech, ale poskytnout ucelené zázemí pro výzkum a vývoj technologií, které se od těchto laserů odvíjí. HiLASE je tak unikátním zařízením schopným poskytnout odbornou i materiálovou základnu zájemcům z průmyslové i akademické sféry v celé paletě relevantních technologií.


Třetí výzkumný program má za úkol najít pro vyvinuté technologie vhodné uplatnění nejen v průmyslových aplikacích.

Poděkování

Vývoj nové generace diodově čerpaných laserů v rámci sekce výkonových systémů Fyzikálního ústavu je podporován Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy České republiky z projektů HiLASE (CZ.1.05/2.1.00/01.0027), DPSSLasers (CZ.1.07/2.3.00/20.0143) a Postdok (CZ.1. 07/2.3.00/ 30.0057), které jsou spolufinancovány Evropským fondem regionálního rozvoje, Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Fyzikální ústav AV ČR

Jan Brajer

brajer@fzu.cz

www.fzu.cz

Další články

Výzkum/ vývoj
Technologie spojování/ dělení materiálů
Nekonvenční technologie

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: