Technologia i Zastosowania Laserów 2012

Laserowe przetwarzanie i obróbka materiałów 

Obok zastosowań medycznych, laserowe przetwarzanie i obróbka materiałów jest ich najszerszym polem praktycznych aplikacji. Do obróbki materiałów stosowane są różne lasery, takie jak: przestrajane lasery femtosekundowe, pompowane diodami lasery na ciele stałym w tym lasery Nd:YAG, lasery z przełączaną dobrocią wnęki, lasery światłowodowe, lasery CO2 i inne. Konwencjonalne zastosowania w tym obszarze zawierają: wiercenie otworów w metalach i ceramice, spawanie, cięcie, modyfikacja i/lub obróbka powierzchni, teksturowanie, znakowanie, grawerowanie, rzeźbienie, wycinanie wzorów, czyszczenie, szybkie prototypowanie w metalach i ceramice, udarowe młotkowanie itp.

Obszary mikro- i nanofabrykacji obejmują: laboratorium na układzie, czujniki elektroniczne i optoelektroniczne, czujniki światłowodowe, systemy mikrofluidyczne, okresowe wzory dla wyświetlaczy LCD, mikro- i nanostruktury funkcjonalne np. do celi paliwowych, matryce do kompozytów metalo–ceramicznych, węglowe siatki nanorurkowe, mikroimplanty do kości i naczyń, ultraszybkie laserowe wytwarzanie stentów do wieńcowych naczyń krwionośnych – w celu zwiększenia pokrywalności przez leki i narastania komórek nabłonkowych; wytwarzanie cienkich warstw i nakładanie wzorów z materiałów nadprzewodzących dla mikroelektroniki. W zastosowaniach biomedycznych oraz dotyczących bezpieczeństwa są to: obrazowanie wielofotonowe i spektralne dynamiczne oraz typu LIBS. W zastosowaniach dotyczących wytwarzania w nanoskali i obróbce materiałów lasery ukierunkowane są na wysoką jakość produktu, wysoką precyzję oraz jak najmniejsze wydzielanie ciepła.

Jednym z najbardziej spektakularnych zastosowań laserów w obróbce materiałów jest modyfikacja powierzchni. Badania w tym zakresie prowadzi CTL na Politechnice Świętokrzyskiej a także AGH i Politechnika Śląska, oraz kilka innych zespołów akademickich. Modyfikacja powierzchni materiałów jest bardzo szerokim obszarem badawczym obejmującym kompozyty i metamateriały. W nowoczesnych materiałach warstwy powierzchniowe mogą być kompozytami. Na warstwy powierzchniowe stosuje się np. azotki tytanu zawieszone w matrycy metalowej. Twardość warstw powierzchniowych i odporność na zużycie zmęczeniowe silnie zależy od parametrów laserowego procesu technologicznego modyfikacji warstwy, parametrów atmosfery przetwarzania, jak np. cząstkowe ciśnienie mieszaniny gazowej argon-azot. Stopy tytanu są stosowane do budowy płytek w silnikach turbinowych. Wytrzymałość zmęczeniowa jest kluczowym parametrem określonym głównie przez wewnętrzne naprężenia w powierzchniowych warstwach azotkowych.

Jakość obróbki powierzchni zależy od kształtu wiązki laserowej. Zastosowanie diod laserowych dużej mocy nie tylko czyni proces technologiczny bardziej standaryzowany, powtarzalny, odporny na oddziaływania zewnętrzne, niezawodny, bardziej miniaturowy i zużywający mniej energii ale także pozwala na kształtowanie wielomodowej wiązki do postaci prostokątnej – zamiast eliptycznej (jak w laserach SS YAG i gazowych), o znacznej jednorodności rozkładu mocy na powierzchni przekroju poprzecznego wiązki. Jednorodność rozkładu mocy jest bardzo korzystna podczas przetapiania powierzchni i tworzenia nowych stopów, ponieważ obrabiany materiał jest podgrzewany równomiernie, głębokość penetracji jest jednakowa, grubość i struktura warstwy powierzchniowej jest równomierna i jednakowa.

Prace badawcze także dotyczą laserowego utwardzania powierzchni, przetapiania, wzbogacania powierzchni stali w chrom, tantal, wolfram, krzem, przetapiania Stellitu6 i wytwarzania cienkich warstw: CeO₂, Bi₂O₃, Al-Fe-C, Mg-Al, TiC przy pomocy ablacji laserowej. Technika laserowa pozwala na precyzyjne osadzanie, z użyciem ablacji i technik odparowywania, cienkich powłok wielowarstwowych na powierzchni ciężkich i dużych części maszyn, pracujących pod dużym obciążeniem.

Przy całkowitej grubości około 1 μm, warstwa jest zbudowana z kilkuset subwarstw, każda o grubości nanometrowej. Obecnie wytwarzane subwarstwy mają grubość ok. 10 nm. Przeplatane warstwy ultracienkie o różnej twardości tworzą warstwę monolityczną o dużej adhezji do podłoża i znacznie bardziej odporną na pękanie niż warstwa pojedyncza. Używany jest przykładowo następujący zestaw materiałów: Ti/TiN, Cr/CrN, TiN/CrN, ale może on zawierać polimery, ceramikę i warstwy metalowe wzajemnie przeplatane. Badane są i optymalizowane właściwości mechaniczne takich metamateriałów dla aplikacji w przemyśle maszynowym. Oprócz wzrostu odporności mechanicznej, niektóre z tych materiałów posiadają cechę samosmarowania.

Lasery medyczne: diagnostyka i terapia 

Znaczne pole zastosowań laserów obejmuje badania i regularne aplikacje kliniczne, a także szerokie aplikacje w służbie zdrowia, np. w przychodniach i ambulatoriach. Rozwijane są nowe procedury chirurgiczne w połączeniu z technikami endoskopowymi oraz obrazowaniem. Dotyczy to w szczególności laserów światłowodowych w połączeniu z technikami terapeutycznymi fotodynamiki, a także terapią laserową wewnątrznaczyniową oraz laserową detekcją komórek rakowych. Medycyna laserowa rozwija się między innymi w kierunku chirurgii bezkrwawej. Badania nad nowymi generacjami sprzętu medycznego stosującego lasery są prowadzone na WAT we współpracy z WUM (A. Zając, J. Kasprzak).

Optyczne metody diagnostyczne stosują często promieniowanie niekoherentne obejmujące zakresy spektralne UV, VIS, oraz IR, a także promieniowanie koherentne o długiej i krótkiej drodze koherencji. Sprzęt medyczny stosujący promieniowanie w zakresie światła białego o krótkiej drodze koherencji wzbudza specjalne zainteresowanie ze względu na bezpośrednią interakcję z układem wzrokowym człowieka. Rezultat badania diagnostycznego jest w postaci obrazu, różnego w każdym przypadku zastosowania innej metody obrazowania. Przetwarzanie obrazu jest inherentną częścią takich metod diagnostycznych.

Oddzielną ważną grupą metod diagnostycznych jest tomografia optyczna, włączając metodę OCT. Inne metody tomograficzne są wykorzystywane do diagnostyki i łączone wzajemnie w celu uzyskania pełniejszych obrazów, jak: PET, tomografia rentgenowska, skaningowa tomografia ultrasonograficzna. Technologie laserowe dodają się do tych metod, wiele z nich rozszerzając i uzupełniając. Diagnostyka i laserowa terapia fotodynamiczna stosuje aktywne barwniki jak fotoporfiryna. Barwnik jest gromadzony poprzez kompleksowe reakcje z lipoproteidami w miejscach zmienionych patologicznie. Metody diagnostyczne poszukują tych miejsc poprzez oświetlenie aktywujące skóry, jam ciała lub z użyciem technik endoskopowych. Terapia używa większych mocy oświetleniowych w celu uwolnienia pojedynczych atomów tlenu (wolnych rodników), które zatruwają bardzo lokalnie zmienioną tkankę. Metoda jest używana w dermatologii, oftalmologii i innych specjalizacjach medycznych.

Laserowe ultraczułe systemy metrologiczne 

Znaczna część fotonicznych systemów pomiarowych o dużej czułości bazuje na rozmaitych technikach interferometrycznych. Systemy takie mogą być objętościowe jak i zintegrowane i miniaturyzowane. Pomiary są dokonywane punktowo lub w sposób rozłożony. Przykładem jest ultraprecyzyjne pozycjonowanie obiektów z wykorzystaniem interferometrii. Systemy automatycznego pozycjonowania masek i badania wafli półprzewodnikowych, bazujące na interferometrii laserowej będą wymagały rozdzielczości lepszej niż 100 pm już w następnej dekadzie. Odpowiadające tym wymaganiom techniki litograficzne będą bazowały na wymiarze standardowym rzędu kilku nm. Aby te wymagania spełnić, konieczne są badania nad stabilnymi laserami metrologicznymi o ultraniskich szumach, wyposażone w ultraprecyzyjne systemy sterowania i kontroli, posiadające odpowiednie detektory i metody interpolacji. Prace są prowadzone w Lasertex we współpracy z PWr.

Inne precyzyjne systemy metrologiczne z wykorzystaniem ultra stabilnych laserów są badane na PŚl. (prof. T. Pustelny). Te systemy obejmują: spektroskopię ramanowską, skaningową laserową mikroskopię konfokalną, mikroskopię dwufotonową, mikroskopię laserową z detekcją fazy, mikroskopię fluorescencyjną kontrastu interferencyjnego, mikroskopię holograficzną, optyczną mikroskopię sił atomowych oraz spektroskopię fotoakustczną.

Teledetekcja laserowa 

Bardzo efektywnym polem zastosowań techniki laserowej są obszary obejmujące ogólnie zagadnienia bezpieczeństwa. Systemy teledetekcji wykorzystują szeroko technikę laserową w tzw. obszarach podwójnego zastosowania, w dziedzinach dotyczących bezpieczeństwa i obronności, a także do monitoringu i zabezpieczenia, np. znacznych regionów środowiska naturalnego czy obszarów przemysłowych. Stosowane metody teledetekcji wykonują jednocześnie akwizycję danych pomiarowych oraz ich analizę w czasie rzeczywistym.

Monitorowanie odległych zagrożeń, takich jak gazy, aerozole, dymy, kurz itp., wymaga zastosowania dwóch podstawowych metod – z czujnikiem (czujnikami) lokalnymi lub zdalnymi. Pomiary bez kontaktu z zanieczyszczonym obszarem zagrażającym są realizowane w sposób aktywny lub bierny. Używane są lidary lub telewizja/termowizja multispektralna. Wąskopasmowe filtry optyczne są dopasowywane do zakresów absorpcyjnych oczekiwanych gazów i innych zanieczyszczeń. System pomiarowy eliminuje zmiany w transmisji wiązki laserowej wzdłuż analizowanego toru wewnątrz zanieczyszczonego obszaru. Charakterystyki pomiarowe lidaru zależą od zasięgu penetrującej wiązki, zakresu monitorowanego obszaru, pola widzenia oraz szybkości skanowania wiązki. Techniki pomiarowe z zastosowaniem sensorów lokalnych (lub sieci czujników) wymagają odczytu danych metodą przewodową lub bezprzewodową. Prace są prowadzone na WAT.

Lasery bezpieczne dla oczu 

Prace nad specjalizowanymi laserami są także przedmiotem zainteresowania tzw. technologii podwójnych aplikacji. Lasery bezpieczne dla oczu są badane i rozwijane na WAT dla wielu odmiennych aplikacji a w tym: bezpieczeństwo, zabezpieczenie obszarów, środowisko naturalne, rolnictwo, budownictwo, przemysł i badania chemiczne, zastosowania biologiczne i medyczne. Optymalizacja konstrukcji lasera, tak aby był odpowiedni dla obu pól zastosowań, otwiera szersze możliwości produkcyjne i marketingowe, jak również ułatwia wymagania na kluczowe parametry lasera. Zastosowania obejmują: laserowe systemy poziomów odniesienia w przemyśle budowlanym, dalmierze laserowe, pointery laserowe, urządzenia dla przemysłu lotniczego i kosmicznego, a także przemysł maszynowy i obszary biomedyczne oraz teledetekcja.

Bazujące na technice laserowej systemy teledetekcji są w szczególności stosowane praktycznie w sieciach obserwacyjnych zagrożenia pożarowego na dużych obszarach leśnych.