Témata
Reklama

Ultrakrátké pulzy na Laser - World of Photonics

Květen letošního roku byl po dvou letech opět dějištěm tradičního mnichovského veletrhu Laser - World of Photonics a ukázkou toho, kam vývoj v této oblasti pokročil. Podle statistik švýcarské Optech Consulting dosáhl obrat na trhu průmyslových laserů v roce 2012 sice objemu 7,9 miliard euro, tedy o 9 % více než v předchozím roce, ale tento ukazatel je třeba do jisté míry korigovat kurzovními změnami, ke kterým došlo v tomto roce při poklesu hodnoty eura jak vůči US dolaru, tak i hlavním asijským měnám. Co je ale podstatné pro uživatele laserových technologií, je další vývoj těchto technologií ve smyslu zdokonalování technických parametrů a efektivnosti systémů.

Z pohledu průmyslových technologií představil veletrh novinky prakticky u všech typů laserů. Přece jen dominantní však mezi nimi byla nová generace diodových výkonových laserů pro přímé aplikace i čerpání pevnolátkových laserů a pak, a to zvláště pro uživatele, zásadní posun ve vývoji a dostupnosti tzv. studených laserů, laserů s ultrakrátkými pulzy (UKP) a vysokou hustotou výkonu. Ty při stále kratších pulzech – v průběhu stovek fs až jednotlivých ps, dovolují opracování i citlivějších materiálů a při svém krátkém pulzu prakticky tepelně nijak neovlivňují okolí operace. I extrémně vysoký špičkový výkon v hodnotě stovek MW působí při tak malé délce pulzu na absorpci a ionizaci takovým způsobem, že prakticky nedochází k efektu vedení tepla. Tím se nemění ani struktura okolní zóny operace a přesnost při obrábění tak dosahuje až submikrometrových rozměrů. Při extrémně rychlém odpaření materiálu nedochází ani k nežádoucím vedlejším efektům, jako je tvorba tavenin, otřepů nebo rysek, řezy jsou bez otřepů a s minimální drsností.

Reklama
Reklama
Během veletrhu představil na tiskové konferenci technický ředitel firmy Trumpf Peter Leibinger nejen další záměry firmy ve vývoji průmyslových laserů, ale i nové zaměření firmy na podporu vědy a výzkumu, včetně technologie „Laser-Produced-Plasma“ pro podporu vývoje systémů v oblasti EUV.

Např. při řezu miniaturních dílů podoby ozubeného kolečka se dosáhlo drsnosti u oceli Ra = 0,5 a vyřezaný díl už nemusel procházet žádnou dokončovací operací. Obdobných parametrů drsnosti bylo dosaženo i při děrování vysokolegované oceli tloušťky 1 mm, kde se při průměru v rozsahu 50 až 500 µm pracovalo s přesností 1 µm. Užití UKP laserů má svůj smysl i při strukturování povrchů, kde doposud byl úkon laseru negativně limitován možným tepelným ovlivněním povrchu. Při strukturalizaci vícevrstvých struktur v polovodičové technice (a podobně je tomu i u solárních článků nanesených postupně na substrátu) tak umožňuje UKP laser např. i selektivní úběr na horních vrstvách povrchu, aniž by došlo k jakémukoliv poškození spodních vrstev. UKP lasery jsou vhodné i pro opracování kompozitních materiálů, kde u předchozích typů laserů mohlo při řezu docházet k opalu nebo delaminaci hran. U metalických povrchů efektivně nahrazují elektroerozivní metody.

Veletrh Laser – World of Photonics 2013 se těšil značnému zájmu odborných návštěvníků. Těch po dobu čtyřdenního trvání veletrhu přišlo na 30 tisíc, a jak to pak u jednotlivých expozic vypadalo, ukazuje náš obrázek.

Laserový pětistupňový CO2 zesilovač fy Trumpf, na výstupu se středním výkonem v pulzu 20 kW pro program EUV

„Studený“ laserový proces má i několik dalších vlastností. Nedochází při něm k negativnímu vlivu tepelné indukce, což se příznivě projevuje nejen např. při zpracovávání nízkotavných polymerů, ale opačně i křehkých materiálů, jako je sklo nebo keramika, kde nedochází k tepelnému pnutí materiálu. Dosažená hustota výkonu v ohnisku laserového fs paprsku umožňuje dokonce opracovávat i takové materiály, které dosud byly pro danou vlnovou délku v podstatě transparentní.

Vláknový 50mW laser Toptica FErb 780 je považován za rozměrově nejmenší a nejvíce kompaktní femtosekundový laser pro terahertzovou spektroskopii. Postačí mu pouze bateriové napájení 12 V.
Pharos od výrobce z Vilniusu pro mikroobrábění na 1 030, 515, 343 a 257 nm při délce pulzů 190 fs až 10 ps

A jak je to s tržní dosažitelností fs laserů? Na těch s menším výkonem, řádově pod 1 W a s uplatněním především v oblasti vědy nebo biofotoniky, včetně medicíny, pracuje už delší dobu řada organizací. Z těch u nás známých jsou to např. Toptica, Lumera, Horiba, Coherent nebo Zeiss. Vývojem femtosekundových laserů větších výkonů pro průmyslové aplikace se dlouhodobě zabývá zvláště Fraunhofer Institut ILT, kde při vlnové délce 1 064 nm dosáhli středního výkonu už i přes 1 kW a v zelené části spektra 400 W. Na tomto vývoji pokračují spolu s ILT v rámci projektu „Femtosekundenlaser höchster Leistung“ (FOKUS) a se zaměřením na potřeby výzkumu a zákaznické aplikace i od ILT odvozené firmy Edge Wave, založená v roce 2001, a nově i firma AMPHOS (Aachener Manufaktur für Photonische Systeme). V uvedeném projektu, jehož nositelem je VDI-TZin Düsseldorf, jde o další práce na vývoji laserů výkonově do 1 kW a s délkou pulzu 100 fs až 10 ps, včetně optimalizace postupů aplikací z hlediska bezztrátového přenosu výkonu do obrobku. To je úkolem především ILT, kde se v současnosti pracuje na novém skenovacím systému laserového paprsku s rychlostí více než 300 m.s-1 a na rozšiřování multipaprskové technologie.

Femtosekundový laser JenLas D2 od Jenoptik má při 400 fs střední výkon 2 W.

Femtosekundové lasery

Průmysl si dosud postupně zvykal na pikosekundové lasery s až 150 W středního výkonu v infračervené oblasti, 100 W v zelené části spektra a 15 W v UV části. S letošním rokem však přicházejí poprvé do průmyslových technologií po počátečních mW výkonech už i dostatečně výkonné femtosekundové lasery, které v posloupnosti výkonů lze tak spatřovat u Spektra-Physics typ Spirit (střední výkon 8 W, délka pulzu 400 fs, energie 40 μJ), Swisstec Micromachining-MFT 80 (10 až 20 W, 600 fs, 10–25 µJ,) Jenoptic JenLas D2 (2 W, 400 fs, 40 μJ), Pharos (až 15 W, 190 fs–10 ps, 200 μJ), IMRA (20W, 50 μJ), Rofin StarFemto FX (300 fs–10 ps, 200 μJ), Trumpf TruMicro 5050 Femto Edition (40 W, 800 fs, 200 mJ).

8W Spirit od Spectra Physics s délkou pulzu paprsku 400 fs.

Fs laser Rofin Star Femto.

Není žádným tajemstvím, že na vývoj UKP laserů, zvláště pak femtosekundových, působí hlavně požadavky výrobních technologií elektroniky při zvyšování hustoty obvodů a zpracovávání nových citlivých materiálů. Oblíbenou citací je tu odkaz na Moorův zákon, podle něhož každých 18 měsíců se v procesorech zdvojnásobí počet tranzistorů, čemuž by měla odpovídat i technologie, jak toho stavu dosáhnout. U laserů se už řadu let jedná o technologiích v EUV – extrémně ultrafialové oblasti –, kdy místo dnes v krajním případě užívané vlnové délky 193 nm by EUV technologie, včetně litografie, měly využívat vlnovou délku 13 nm. Zatímco různé teoretické propočty, např. na Ludwig-Maximilians-Universität v Mnichově (LMU), vidí do budoucna teoreticky možnost získat koherentní světlo s vlnovou délkou, která je už v rozsahu tvrdých rentgenových nebo dokonce gamma paprsků, s pulzy o trvání 0,1 as (1 attosekunda = 10-18 s) a hustotě výkonu až 1024 W.cm-2 , praktická cesta k EUV není 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 vysokoreflexní zrcadla s odrazivostí až 70 % musely být vyvinuté speciální siliciummolybdenové vrstvy s odolností pro teplotu až do 400 oC. Za dobu, odkdy se o postupech s EUV začalo uvažovat, byly pro tato řešení sestaveny i různé společné výzkumné aliance. Dokonce už kolem roku 2003 vznikl prototyp EUV laseru od Lambda Physik a vyskytlo se i několik návrhů vhodných laserových zdrojů, které ale doposud nepřinášely konečné řešení. Zdá se, že úspěšným by mohl být nyní postup, který pro tento účel vyvinula a na veletrhu představila firma Trumpf, dnes prakticky výrobce všech typů průmyslových laserů. Vycházela přitom ze svého komerčního 10kW CO2 laserového systému, který upravila na pulzní s pěti zesilovacími stupni tak, že na výstupu dává v pulzu střední výkon 20 kW a na špičce dosahuje výkonu několika MW. V rámci postupu Laser-Produced-Plasma dochází pak k vývoji plazmatu o centrální vlnové délce 13,8 nm, charakteristické pro EUV. Podle sdělení na veletrhu začal Trumpf už tento svůj systém dodávat výrobcům litografických zařízení, a tak nebude dlouho trvat a s technologií EUV se setkáme i prostřednictvím nových výrobků elektroniky.

Centrum laserového výzkumu

Pozorný čtenář si jistě i z tohoto krátkého článku všiml, že výzkum v oblasti fotoniky či optofyziky, ať už badatelský nebo aplikovaný, probíhá na různých místech a s různou intenzitou a jen zřídka koordinovaně. Diskuse se např. vedly i na téma, zda ultrakrátké pulzy paprsku mohou následovat pouze až po určitém výkonu laseru, či opačně, zda vyšší intenzita v pulzu může být až následkem kratší délky pulzu. Lepší stupeň informovanosti v tomto směru a užší provázanost výzkumu si Evropská unie slibuje od existence našeho nově budovaného Centra laserového výzkumu ELI. To by se po svém dokončení do dvou let mělo stát prvním zařízením na světě poskytujícím i experimentální čas studiím, které využívají ultrakrátkých relativistických svazků a synchronizovaných vysoko-intenzivních laserů, elektronových svazků, zdrojů rentgenového záření a attosekundových zdrojů, jak individuálně, tak i ve vzájemných kombinacích.

Ing. Jiří Šmíd
Mnichov, Německo

Tab. Vývoj světového trhu u průmyslových laserových systémů

iia.smid@gmail.com

Reklama
Vydání #7,8
Kód článku: 130715
Datum: 25. 06. 2013
Rubrika: Servis / Reportáž
Autor:
Firmy
Související články
Komodita Machine Tool je japonskou jistotou. Jak dlouho?

Japonsko. U Evropana tato destinace stále vyvolává pocit neznáma a určitého tajemna. Je to země kruté historie ovlivněné přímo i nepřímo lidskými rozhodnutími, jenž zanechaly v celé řadě generací znatelný šrám projevující se uzavřeností a prvotní osobní nedůvěřivostí a i určité váhavosti projevující se například z obavy ze sdělení negativního názoru spoluřečníkovi, aby se případně necítil uražen. V komunitě Japonců jste pokaždé udivováni obrovskou vzájemnou úctou a respektem. Budiž jejich chování vzorem pro ostatní národy.

Ohlédnutí za MSV 2018

Jubilejní strojírenský veletrh v Brně se i letos nesl ve znamení inovací, technických i technologických novinek (často také světových premiér), ale hlavně v duchu oslav stého výročí založení Československé republiky, takže se také vzpomínalo na historické úspěchy v technice v expozici 100RIES. A není tedy divu, že partnerskou zemí bylo letos Slovensko. Na následujících řádcích přinášíme malé ohlédnutí za veletrhem, kde připomeneme některé exponáty, které v očích naší redakce za zmínku a vzpomínku stojí.

Související články
Cena MM Award na EMO

Ocenění MM Award od našich německých kolegů z časopisu MM MaschinenMarkt je specialitou veletrhů pořádaných nejen v Evropě, ale po celém světě. Nejinak tomu bylo i na letošním hannoverském EMO, kde proběhlo slavnostní předání exponátům, které odbornou porotu zaujaly. Ceny jsou udělovány ve spolupráci se svazem VDW. Protože se jedná o jediné oficiální ceny udělované na veletrhu EMO a značky MM, VDW a EMO jsou dobře známé v oboru výrobní techniky, věnujeme jim svoji pozornost v retrospektivě veletrhu.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Co naznačila největší továrna na světě

Záruka dobrých obchodů, výkladní skříň pro mezinárodní trh, ukázka budoucnosti ve strojírenství – tak hodnotí vystavovatelé veletrh EMO Hannover 2017. Pod heslem Connecting systems for intelligent production představilo své novinky více než 2 200 vystavovatelů z 43 zemí. Tematické těžiště spočívalo v digitalizaci a propojení výrobních procesů. V centru pozornosti byly především výrobní postupy, stroje a zařízení pro zpracování a opracování kovů.

Fotonika - klíč k technologickému rozvoji

Vynález laseru, optických vláken a polovodičových optických součástek výrazně zvýšil význam využití optiky pro moderní technologie. Byl to také impulz pro rozvoj mladého vědního oboru – fotoniky –, který se zabývá vlastnostmi a metodami využití fotonů. Místem, kde si odborníci z těchto tří na sobě závislých oborů – optika, elektronika a fotonika – sdělují svá know-how a sdílejí své úspěchy, se každoročně stává nejvýznamnější světový veletrh optických a laserových technologií Laser World of Photonics. I letos jej koncem června na mnichovském výstavišti doprovázel světový kongres World of Photonics congress.

Výroba strojů v čínském pojetí

V minulém vydání MM Průmyslové spektra jsme vám přinesli rozsáhlý pohled na čínský průmysl a reflexe pekingského veletrhu obráběcích strojů CIMT 2013. Dnes pohledem na tento veletrh pokračujeme a zaměřujeme se především na oblast automatizace čínskými firmami zde prezentovanou.

Laserové technologie ústavů FG

Pod zkratkou FG se skrývá označení pro německou Fraunhofer Gesellschaft s 66 oborově zaměřenými ústavy aplikovaného výzkumu. Na veletrhu laserové techniky Laser - World of Photonics 2013 v Mnichově patří tradičně mezi přední vystavovatele a i když značná část expozice je věnována laserům v komunikační a sdělovací technice, projekci, medicíně a zčásti i bezpečnosti, najde se vždy v podání alespoň tří ústavů, Institutu für Lasertechnik ILT, Institutu für Werkstoff- und Strahltechnik IWS a Institutu für Pruduktiontechnologie IPT dost zajímavých průmyslových laserových technologií, které mohou inspirovat i naše uživatele.

Trumpf, Laser a Intech 2011, Část 2

V prosincovém vydání jsme vám přinesli první díl pohledu na firemní veletrh Intech, který každoročně pořádá koncern Trumpf ve svém mateřském závodě. Nyní se do německého Ditzingenu opět vrátíme a podíváme se technickým pohledem na aktuální novinky především z oblasti laserů, které jsou uváděny na trh do všech destinací, kde tento světový výrobce pro oblast technologie tváření operuje.

Startovní výstřel pro kovozpracování a subdodavatele

Veletrhy Intec a Z 2021, které se budou konat v příštím roce od 2. do 5. března, opět promění Lipsko v centrum strojírenství a evropského subdodavatelského průmyslu. V nelehkých dobách nabídnou důležitou pomůcku pro orientaci v zásadních změnách, kterými průmysl prochází. Vystavovatelé z Česka mají na veletrzích Intec a Z ty nejlepší předpoklady navázat, či dále prohloubit obchodní vztahy s významnými společnostmi z Německa a celé Evropy. Ministerstvo průmyslu a obchodu plánuje společnou expozici českých firem v rámci programu na podporu exportu.

EMO Hannover 2013, část 5 - upínače a vybavení obráběcích strojů

Další část našeho dnešního pohledu na největší světový veletrh v komoditě obrábění - EMO, se věnuje komponentám, jež napomáhají efektivně využívat potenciál stroje nebo obráběcího centra a slouží jako základny pro montážní nebo upínací přípravky.

EMO Hannover 2013, část 2 - MM Award Ocenění pro nejlepší exponáty

I v letošním roce proběhlo z iniciativy německých kolegů časopisu MM MaschinenMarkt udílení ocenění exponátům, které jsou něčím zajímavé a zaujaly odbornou porotu. Protože značky MM, VDW a EMO překročily hranice Německa a Evropy, nelze si dovolit přehlížet ocenění, které společně tyto značky zastřešují.

Inteligence ve výrobě, EMO Hannover 2013

Přední světový veletrh zpracování kovů EMO Hannover 2013 se tentokráte uskuteční od 16. do 21. září 2013. Od jeho prvního konání v roce 1975 bezesporu plynule rozvíjí a upevňuje svůj věhlas největšího a nejvýznamnějšího světového inovačního fóra zpracování kovů. Letos je očekáváno opět na 140 tisíc návštěvníků, jenž přivítají expozice 2 000 firem na čisté ploše 180 tisíc metrů čtverečních. Hlavním letošním tématem je inteligentní výroba.

Lipsko letos jenom digitálně

Tradiční dvojice veletrhů pro oblast strojírenství a subdodavatelského průmyslu Intec a Z v Lipsku se letos uskuteční v termínu 2.–3. března 2021 výhradně digitálně pod názvem „Intec/Z connect“. Společnost Leipziger Messe, pořadatel veletrhu, se takto rozhodla, neboť současný vývoj koronavirové pandemie a s tím spojená omezení neumožňují takto velkou akci smysluplně realizovat klasickou ani hybridní formou

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit