Průmyslové lasery s ultrakrátkými pulzy k závěru roku 2011

Lasery s délkou pulzů v pikosekundové (10–12) až femtosekundové (10–15) oblasti patří už několik let ke všeobecně sledovaným vývojovým trendům laserové techniky. Díky rostoucím výkonům v těchto pulzech jsou v současné době zajímavé už i pro průmyslové technologie mikroobrábění a stávají se tak efektivním nástrojem řady operací, kde je vyloučené tepelné ovlivnění okolí technologického procesu. Při užití laseru za tak krátkých pulzů, v rozmezí přibližně stovek fs až 10 ps, nestačí ještě působit v okolí operace fyzikální jev vedení tepla a možné je tak zpracovávat i na teplotu výrazně citlivé materiály, kde by zvýšená teplota mohla jinak působit na změnu struktury materiálu. Oprávněně se tak těmto laserům dostává názvu „studené lasery“. V současné době se už dostávají v některých oblastech, zvláště ps laserů, z vývojové do výrobní fáze a je tak vhodné je přiblížit i našim uživatelům. U vybraných typů sledujeme také hledisko praktické dostupnosti a poskytovaného servisu. K vývoji těchto laserů s ultrakrátkými ps a fs pulzy a přitom i s dostatečným výkonem podstatně přispěl také vývoj diskových a vláknových laserů s vynikající jakostí paprsku a hustotou výkonu v pulzu. Vzájemná odlišnost obou těchto typů pevnolátkových laserů spočívá už v principu vytváření paprsku. Zatímco pro čerpání aktivního tenkého diskového média je u diskových laserů podstatný vícenásobný přechod záření od laserové diody přes reflektující vrstvy jedné strany kotouče a okolních reflektorů a optické vlákno se používá až k přenosu finálního paprsku na místo prováděné operace, pak u vláknového laseru po navázání vlákna na budicí laserovou diodu, dochází hned uvnitř vlákna, dotovaného prvky vzácných zemin, ke generování požadovaného optického paprsku. Každý z těchto dvou typů laserů má svá optimální specifická užití, při jejich vzájemném porovnání vystupuje do popředí u diskových laserů výhodné redukování nelineárních efektů ve výkonové špičce pulzů. Z hlediska poskytovaného servisu bychom dali jedničku firmě Trumpf s jejím pražským zastoupením. Pikosekudové lasery s délkou pulzu <10 ps jsou tu dostupné v typové řadě systémů pro mikroobrábění TruMicro 5000. Do nedávna zde šlo o několik typů s vyzařováním na vlnové délce 343, 515 a 1030 nm, středním výkonem v pulzu od 5 do 50 W a s energií v pulzu 25 až 250 ?J. Na letošním listopadovém veletrhu Productronica 2011 v Mnichově předvedl Trumpf jako horkou výkonnější novinku i další pikosekundový laser řady TruMicro, opět s délkou pulzu pod 10 ps a ve variantách pro infračervenou a zelenou oblast spektra. Nový typ TruMicro 5070 dosahuje středního výkonu 100 W při vlnové délce 1030 nm, typ TruMicro 5270 pak 60 W jako zelený laser při vlnové délce 515 nm. Hned na veletrhu podal zelený typ důkaz „studeného laseru“ při bezchybném řezání skla displeje pro tablety a LCD obrazovky. Zrovna tak je možné tímto laserem strukturovat povrch kovových materiálů, řezat kovy, plasty i keramiku, odpařovat vrstvy nebo třeba i bez otřepů vrtat. S obdobným zaměřením představuje své piko- a femtosekundové pulzní lasery Rofin-Sinar. Pikosekundový vláknový laser Star Pico se středním výkonem 24 W a Star Femto s délkou pulzu < 800 fs a jmenovitým výkonem 6 W. U testů se osvědčily např. při řezání různých zdravotnických implantátů, včetně stentů z titanových slitin i plastů. Stejně jako Trumpf se vývojem pikosekundových laserových systémů pro průmyslové technologie na bázi diskových laserů zabývá už i Jenoptik. Jeho dosavadní pikosekundové systémy se středním výkonem 2 W spíše vyhovovaly pro medicínské účely. S novým provedením JenLas D2.fs, s výkonem až 8 W při vlnové délce 1025 nm a délce pulzu < 400 fs, lze řezat při daných výkonových parametrech už i kovové a nekovové materiály. Výkonovým skokem nahoru v oblasti laserů s ultrakrátkými pulzy je ale už se 400 W středního výkonu pikosekundový laser z EdgeWave, založený na principu „innoslab“ technologie, pevnolátkového laseru s deskovou formou krystalu. Ta dává svým tvarem dobrou možnost chlazení a svým způsobem přispívá k vynikající kvalitě paprsku u tohoto řešení. Profil paprsku může být jak kruhový, tak i pravoúhlý s různým rozdělením intenzity. Při délce pulzu 10 ps se tu dosahuje energie v pulzu 800 ?J. Takový výkon je už dostatečný i pro náročnější operace, způsob se ověřoval například při vytváření předloh na tiskových válcích, ale stejná je i vhodnost laseru pro strukturalizaci, odstraňování tenkých vrstev nebo třeba vrtání kompozitů. Všechno, co bylo doposud uvedené, nemůže vyčerpat celou problematiku vývoje této skupiny laserů. Pikosekundové průmyslové lasery, většinou nepřesahující ve středním výkonu v pulzu 50 W, jsou dnes ve vývoji i některých dalších firem, jako např. IMRA, Lumera nebo z Vilniusu Light Conversion. Na závěr se ale přece jen ještě zastavíme u výkonového rekordu této třídy laserů, kterého dosáhli s 1,1 kW při 600 fs na principu opět „innoslab“ laseru Yb:YAG ve Fraunhofer Institutu ILT. Maximální výkon v pulzu tu dosahuje závratných 80 MW a pro čerpání laseru tu byla vyvinuta i nová generace vysoce jakostních výkonových diod. A odvozeně poprvé se podařilo v rámci projektu Korona dosáhnout v ILT i vysokého středního výkonu v pulzu 280 W při vlnové délce 515 nm. /jš/