Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Průmyslové využití nejvýkonnějších laserů
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Průmyslové využití nejvýkonnějších laserů

Již několik desetiletí jsme svědky postupného nabývání významu a upevňování pozice laserů nejen v průmyslových provozech, ale i ve zdravotnictví, metrologii a mnoha dalších oblastech. Na stránkách tohoto vydání je uvedeno hned několik možností jejich využití, všechny jsou však velmi vzdálené možnostem laserů vyvíjených v centru HiLASE. V Dolních Břežanech u Prahy totiž vyvíjejí „superlasery“.

V dnešní době se pro různé průmyslové aplikace lasery celkem běžně používají. Požadavky aplikací pak určují vhodný typ laserového zdroje, přičemž ty nejběžnější jsou kontinuální. Lasery, kterými disponuje centrum HiLASE, jsou lasery pulzní a díky progresivní technologii diodového čerpání jsou podstatně výkonnější, poskytující vyšší energii v pulzu, kompaktnější a stabilnější než zařízení, která jsou v současné době dostupná. Uplatnění by měly tyto lasery v budoucnu najít v high-tech průmyslu.

Centrum HiLASE se zabývá technologickým vývojem pulzních pevnolátkových diodově čerpaných laserů s vysokou energií v pulzu a zároveň s vysokou opakovací frekvencí a jejich aplikacemi. Díky inovačním řešením a optimalizované sestavě byl v Dolních Břežanech vyvinut ve spolupráci s britskou Science and Technology Facilities Council dosud nejvýkonnější laser s energií v pulzu až 100 J při opakovací frekvenci 10 Hz a délce pulzů několik nanosekund. Tento „superlaser“ se jmenuje Bivoj a slouží k testování optických a laserových součástek i technologií pro průmysl a modifikaci materiálů vyžadujících vysokou energii aplikovanou na velké ploše. Laserový systém Bivoj sice momentálně zabírá celou místnost (cca 20 m x 3 m), budoucí snahou je však tento i jemu podobné systémy zmenšovat, aby byly co možná nejvíce kompaktní, případně mobilní, a tím i snáze implementovatelné do průmyslových provozů. Bivoj, respektive jeho kopie, bude vedle výzkumných činností také sloužit jako čerpací laser pro systém L2 sousedního laserového centra ELI Beamlines.


Pikosekundové laserové systémy jsou sofistikované sestavy optických elementů, které si v HiLASE vyvíjejí a sestavují vlastními silami. Pro výzkumné účely jsou často rozložené na stole přes celou místnost. Pro komerční účely je snaha je zmenšovat, aby byly co nejvíce kompaktní.

 

Dalším z výzkumných programů centra HiLASE je vývoj pikosekundových laserů. Tyto lasery jsou založeny na technologii tenkých disků a pracují s opakovací frekvencí od stovek Hz až po jednotky MHz. Laserové zdroje s těmito parametry lze použít např. pro testování optických komponent, mikroobrábění a nanoobrábění či přesné vrtání nebo pro generaci EUV zdrojů záření v EUV litografii, které pak slouží pro výrobu mikročipů nebo displejů mobilních telefonů.


Na vývoji laserových systémů v centru HiLASE se podílí téměř osmdesát laserových specialistů a techniků, z nichž přibližně polovina je ze zahraničních, často i velmi renomovaných pracovišť.

 

Laserové systémy pro průmysl

Po ukončení vývojové etapy nové technologie vždy chybí ještě jeden krok k úspěšnému završení projektu a tím je zavedení dané technologi e do praxe. Vyvíjené pikosekundové a nanosekundové lasery jsou již nyní používány pro technologie mikroobrábění, přesného řezání, odstraňování povlaků, popisování, ablace a laserového vyklepávání. Technologie laserového vyklepávání je založena na principu opracování povrchu materiálu rázovou vlnou generovanou laserem a nazývá se Laser Shock Peening (LSP), kdy laserový paprsek generuje v povrchové vrstvě zpracovávaného materiálu tlaková zbytková napětí, která významně zlepšují únavové vlastnosti materiálu a omezují vznik a rozvoj povrchových mikrotrhlin. Metoda se česky nazývá vytvrzování povrchu materiálu rázovou vlnou pomocí laseru. Dalšími významnými aktivitami je např. testování prahu poškození materiálu laserem, kterou již dnes využívají klíčoví čeští i někteří zahraniční výrobci laserové optiky nebo tenkých vrstev.


Projekt úspěšně realizuje sehraný tým mezinárodních vědců s bohatými zkušenostmi z výzkumu i aplikační sféry v úzké spolupráci s významnými zahraničními výzkumnými institucemi, např. Japan Atomic Energy Agency, ENSTA-ParisTech (Francie), Ferdinand-Braun-Institut (Německo), Tohoku University (Japonsko). Pracovní uplatnění zde naleznou také mladí vědečtí talenti z technických univerzit v ČR.

Centrum excelence

Přestože konkrétní zakázky (zhruba jedna měsíčně) již v centru HiLASE probíhají a jednotlivá pracoviště jsou tímto momentálně plně kapacitně vytížená, byl zahájen v květnu loňského roku česko-britský projekt HiLASE CoE – Center of Excelence s hlavním cílem ještě více se zaměřit na aplikačně orientovaný vývoj špičkových laserových technologií podle skutečných potřeb průmyslu. Financování projektu je zabezpečeno z evropského programu Horizon 2020, jehož cílem je pozdvihnout inovační potenciál členských států Evropské unie. Pracovat na projektu budou vědci z centra HiLASE Fyzikálního ústavu AV ČR a z partnerského britského STFC (Science and Technology Facilities Council). Projekt bude trvat 5,5 roku a kromě vědeckého bádání, které je samozřejmostí, má vyústit ve vznik modelové instituce nového, moderního typu, která bude úzce propojena s průmyslem. Přechod k Centru excelence zvýší otevřenost pracoviště směrem k externím uživatelům z řad vědecko-výzkumných institucí, firem i širší veřejnosti a rozšíří jeho nabídku pro externí uživatele. Zároveň realizace projektu přispěje ve svém důsledku ke změně myšlení samotných vědců: „V budoucnu se chceme soustředit na větší propojení centra s průmyslovou praxí, abychom byli schopni rychle reagovat na jejich aktuální požadavky a naplnit tak naši vizi Superlasery pro skutečný svět,“ uvádí vedoucí centra HiLASE Tomáš Mocek.


Řídicí místnost (velín) nanosekundového laseru Bivoj disponuje veškerým řízením laseru a umožňuje sledování všech parametrů při chodu laseru.


Technologie Laser Shock Peening (opracování povrchu materiálu rázovou vlnou generovanou laserem) výrazně zlepšuje únavové vlastnosti materiálu a zamezuje vzniku povrchových mikrotrhlin.

 

 

 

Bezpečnost a zneužití

Bavíme-li se o laserech s takovým výkonem, nelze si nepoložit otázku možného zneužití. Pan Mocek mě však ubezpečil, že každá zakázka je pečlivě studována a ověřována její koncová aplikace. Možné zneužití výkonných laserů, např. pro vojenské účely, je tedy vyloučeno, mimo jiné i proto, že laserové systémy HiLASE jsou příliš drahé a sofistikované a tím pádem pro aplikace „v poli“ nepoužitelné. V případě jaderných technologií již lze hovořit o možných potenciálech využití, nikoliv však pro separaci izotopů. Technologie Laser Shock Peening (LSP) by mohla být vhodná např. pro údržbu či revitalizaci svarů na jaderných reaktorech. Další potenciál aplikace technologie LSP je v aeronautice, v oblasti turbín či heavy industry, v dlouhodobější perspektivě pak i v automobilovém či medicínském průmyslu (prodlužování životnosti kloubních náhrad apod.). Zneužití těchto světově unikátních laserů se tedy obávat nemusíme, alespoň zatím. Na bezpečnost bylo myšleno také při stavbě centra. Všechny laboratoře jsou postaveny na vibračně stabilním podloží, laserová hala má dvojité zdi bez oken a velmi omezený režim přístupu. Při dodržení striktních bezpečnostních pravidel (ochranný oblek, brýle apod.) a s doprovodem mi byl přístup povolen.


Ukázky testů technologie Laser Shock Peening pikosekundovým laserem s energii v pulzu 6 J. V rámci výzkumu bude technologie testována s postupným navyšováním energie až na 100 J.

 

Laserové centrum HiLASE nabízí již nyní širokou škálu produktů, technologií a služeb se značným potenciálem pro průmyslové a vědecké aplikace. Upgrade HiLASE na Centrum excelence pak výrazně rozšíří stávající nabídku pracoviště pro služby smluvního výzkumu.


Eva Buzková, Dolní Břežany

Eva.buzkova@mmspektrum.com

Další články

Výzkum/ vývoj
Technologie pro povrchové úpravy
Materiály konstrukční nekovové
Materiály konstrukční kovové
Energetické strojírenství
Nekonvenční technologie

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky













Sledujte nás na sociálních sítích: