Vývoj oboru kvantové fyziky v 50. letech minulého století dal vzniknout i zcela novému oboru fotoniky a o několik let později, v roce 1960, i objevu laseru, jehož vynález je přirovnáván k takovým jevům, jakými jsou např. objev elektrického proudu nebo štěpení atomového jádra.
Laserové technologie, generování a zesilování elektromagnetického záření pronikly prakticky do všech oborů lidské činnosti od průmyslu přes sdělovací techniku, medicínu, meteorologii, biologii, dopravu, stavebnictví po bezpečnostní, vojenskou i kosmickou techniku. I přes už dosažené vynikající výsledky v kvalitě paprsku laseru, hustotě jeho výkonu, frekvenci pulsů i jejich až ultrakrátké délce čeká na laser ještě řada nových aplikací a každým dnem vzniká tak za užití laseru v různých oborech i řada nových řešení.
LASER V MEDICÍNĚ
Pro medicínu se v poslední době ukazuje jako jeden z nejzávažnějších úkolů vývoj kompaktního polovodičového laseru s dostatečným výkonem. Zatímní konvenční polovodičové lasery, které jsou sice vhodné k integraci v přístrojové technice, nedosahují výkonu jiných laserových systémů a také jejich paprsek se nedá tak úzce zaostřit. Postupné zlepšení naznačil sice už vývoj pevnolátkového diskového laseru na Univerzitě Stuttgart, kde ve spolupráci s DLR dokázali i přenést podstatu tohoto systému na funkci polovodičových, výkonově už vyšších diskových laserů, ale pro některé aplikace ani to nestačilo. Konečnou situaci vyřešili až v Institutu polovodičové optiky IHFG. Odstranili nosný substrát polovodičových vrstev tak, že zůstala jen aktivní zóna laseru o tloušťce 100 nm. Ta byla vlisována mezi dva diamantové kotouče, sloužící zároveň jako chladič. Takto upravený membránový laser vyzařuje už dostatečný výkon v červeném rozsahu spektra a pro medicínu může být tak základem pro kompaktní vestavbu v přístrojové technice (obr. 1).
Z oboru medicíny, resp. farmaceutického průmyslu, je i způsob využití laseru v boji proti lékovým plagiátům, fenoménu dnešní doby. Nehledě na to, že ani sám tento průmysl se svou chamtivostí nepožívá u veřejnosti přílišnou důvěru, pak ale stále častěji objevovaná falza mezi léky mohou pro zdraví jejich uživatelů znamenat i vážné nebezpečí. O jak velké riziko přitom jde, ukazují i data Světové zdravotnické organizace, která odhaduje roční obrat lékových padělků na 75 mld. USD, v relativním vyjádření 12 % celkového obratu s léky.
Ve Fraunhoferově institutu IAF vyvinuli nyní pro kontrolu léků s odhalením možných plagiátů způsob na bázi zpětné rozptylové spektroskopie s využitím kaskádového laseru s emisí ve středně infračervené části spektra na vlnové délce od 3 do 12 μm. Technologie je založena na jevu, že každá chemická látka absorbuje jen individuální část infračerveného záření. Na tom principu je pak možné odlišit v reálném čase plagiát od skutečného léku. Výhodou zvolené technologie jsou i malé rozměry laseru, ke kterým přispívá i vývoj miniaturizované optické difrakční mřížky laseru pro plynulé ladění vlnové délky z Fraunhoferova institutu IPMS. Identifikace léků pomocí laseru probíhá řádově v hodnotách zlomků sekundy a v budoucnu se s ní počítá i při hromadné výrobě léčiv (obr. 2).
A se zdravím je spojen i způsob kontroly jakosti pitné vody, dodávané formou veřejného zásobování, kterou provádí jak její dodavatel, tak i k tomu určené státní orgány. Na pomoc jim nyní přichází laserová technologie z Fraunhoferova institutu IAF se svým kaskádovým infračerveným laserem, která dokáže sledovat čistotu vody v on-line provozu a v případě její kontaminace určit, o jakou závadnou látku jde. Technologie využívá molekulární spektroskopie látek obsažených ve vodě. Celý měřicí systém není větší než krabice od bot, pracuje automaticky a nevyžaduje ani žádné údržby (obr. 3).
PRŮMYSLOVÉ APLIKACE
A zčásti se už dostáváme od medicíny k využití laseru v průmyslu. Zčásti proto, že uvedený laserový projektor se může hodit i pro medicínu, kde příkladem může být aplikace u mobilních rentgenových přístrojů, kde laserový kříž, promítnutý ze dvou rozličných míst, vizualizuje osu rentgenového paprsku a označuje tak přesně dopad paprsku. Tentýž projektor ze Z-Laser Optoelektronik GmbH ve Freiburgu může však díky svému programovému vybavení vizuálním způsobem usnadnit montáž nebo určit polohu, která bude středem příští operace. Při montáži byl tak způsob využit např. při sestavování dílů rotorových listů větrných elektráren a opačným příkladem co do velikosti je postup při ruční montáži v hodinářské firmě, kde laserový projektor, umístěný nad pracovištěm, vede obsluhu při montáži vizuálně krok za krokem (obr. 4).
U řady technologií, zatím především v průmyslu, se výrobci i uživatelé připravují na zavádění Průmyslu 4.0. Ukažme si to na příkladu laserových hlav COAX z Fraunhoferova institutu IWS, kde jejich modulární koncepce je už vybavena integrovanými senzory pro on-line sběr dat. Např. pro navařování kovovým práškem se tu používá nová koaxiální laserová hlava pro výkon laseru až
6 kW s kruhovou práškovou tryskou, která prášek zaostří min. na 600 µm. Šířka návarové stopy činí 0,6 až 6 mm. V nové hlavě jsou integrovány a softwarem propojeny veškeré provozní senzory pro sledování teploty, tlaku, průtočného množství a zrychlení. Při provozu tak softwarová síť poskytuje všechny provozní informace včetně možných závad na optice a v kritické situaci přerušuje provoz. Data jsou dále přenášena na mikroprocesor pro kontrolu a řízení celého procesu.
Ze stejného institutu IWS je pak připravena i nová generace koaxiálních hlav COAX s potřebnou senzorovou a kamerovou výbavou pro navařování drátem. Mezi nimi je novinkou COAXwire mini pro jemné navařování, kdy poprvé tu může být využit podávací drát v průměru 300 až 600 μm a v krajním případě i 100 až 250 μm. Optika systému je navržena pro lasery vlnové délky 890 až
1 100 nm a 450 až 550 nm a díky tomu může využít laserů s emitováním paprsku i v zelené a modré části spektra. To pak vede k lepší možnosti i při zpracování materiálů, jako je měď nebo zlato.
A novinkou pro svařování laserem, kdy přibývá konstrukčních řešení se speciálními obtížně svařitelnými materiály, kdy je třeba přizpůsobit technologii a provedení svařovací techniky individuálním úkolům, a přitom ale zachovávat i dostatečnou flexibilitu technologie, je svařovací hlava remoweld®- FLEX rovněž od Fraunhoferova institutu IWS, pracující s vysokofrekvenčním kmitáním paprsků a integrovaným sledováním procesu. Touto technologií se tak např. podařilo poprvé dosáhnout kvalitního svařování u hliníkových, tlakově litých odlitků.
Na modulární koncepci hlavy, jejímž základem je vysokofrekvenční skener do 4 kHz při max. výkonu 4 kW, se podílela firma Arnold Maschinenfabrik GmbH. V základním provedení nabízí systém monitoring veškerých potřebných provozních dat s přenosem na SPS řízení. Uživatel může podle své potřeby doplnit svařovací hlavu i o další moduly, senzor pro sledování dráhy švu a kamerový systém pro kontrolu kvality švu.
Potravinářskému průmyslu, který dnes používá při balení svých produktů často vícevrstvých fólií, kde každá vrstva má svůj význam pro zachování požadované trvanlivosti zboží, vychází průmysl vstříc novou laserovou kontrolou tloušťky jednotlivých vrstev fólií ještě při jejich výrobě v pásech. Úkol řešil v rámci projektu IRIS Fraunhoferův institut ILT s užitím metody založené na interferometrii a jevu, při kterém dochází na přechodech jednotlivých vrstev k lomu infračervených paprsků. Metoda je využitelná i pro výrobce plastických fólií, kterým při dodržení výrobních tolerancí šetří vstupní materiál (obr. 5).
V základním výzkumu je pozoruhodným výsledkem zjištění působení laseru na magnetizaci a demagnetizaci materiálů, což může mít zásadní význam u technologií pro ukládání dat. Laserovým paprskem je tak možné generovat magnetickou strukturu a poté ji opět podle potřeby odstranit. Pokusy se prováděly ve výzkumu Helmholtzova centra s partnery z University of Virginia se slitinou železa a hliníku, která je pro svou atomovou strukturu pro takové studium výhodná, a s pulsním fokusovaným laserovým paprskem s délkou pulsu 100 fs. Prvotním ozářením došlo v dané oblasti materiálu ke vzniku feromagnetismu, po pozdějším opětném ozáření, a to i při menší energii paprsku, se magnetismus opět zrušil (obr. 6).
Laser se může starat i o naši bezpečnost. Ve světě je na různých místech ještě rozeseto na statisíce nástražných min a laserová metoda patří k jedněm z mnoha při jejich vyhledávání a identifikaci. Obvyklým způsobem přitom bývá postup založený na využívání magnetické indukce. Zvukový zázněj detektoru v takovém případě ale nevyjadřuje dostatečnou přesnost polohy uložení miny ani její druh, přičemž nové druhy min často využívají i nekovových materiálů, které na tuto klasickou metodu nereagují. Laser, který se obecně používá i pro analýzu materiálu, dokáže tady prostřednictvím metody indukované plazmové spektroskopie LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) vedle místa nálezu miny určit a analyzovat v reálném čase navíc i přítomnost různých výbušnin v půdě, u miny pak druh materiálu, včetně plastů a organického materiálu. Způsob vyvinuli na Institut für Physik und Physikalische Technologien TU Clausthal.