Proud fotonů ve službách průmyslu. Lasery z HiLASE mají světové renomé

Umí pálit, řezat, bouchat, zvrásňovat i vyhlazovat. „V HiLASE jsme jimi schopni vytvořit řadu textur. Jako jedni z mála na světě to navíc dokážeme rychle. Jeden paprsek výkonného laseru umíme optickým zařízením rozdělit do tisíce svazků, takže i pracovní tempo laseru je tisícinásobné,“ říká fyzik Jan Brajer. Síle spoutaného světla se věnujeme v časopisu A / Věda a výzkum, který vydává Akademie věd ČR.

Agent 007 leží svázaný na zlatém stole, nad ním se tyčí hrozivý stroj. „Díváte se na průmyslový laser, vyzařuje neobvyklé světlo, jaké v přírodě neexistuje, dokáže udělat skvrnu na Měsíci a na blízko může řezat i masivní kov,“ říká chladným hlasem padouch Goldfinger, zapne přístroj a sleduje červený paprsek, jak si kovem pomalu, ale jistě razí cestu k tělu Jamese Bonda.

Jen filmová fikce? Dnes by se nám taková scéna zdála docela reálná, ale v roce 1964, kdy šel snímek do kin, byla tato technologie ještě v plenkách a ohromila svět. Vždyť první laser sestavil Theodor H. Maiman o čtyři roky dříve a průmysl teprve koketoval s myšlenkou, že by jev, postavený na zesílení světla prostřednictvím stimulované emise, byl využitelný v masivním měřítku.

Zařízení funguje na principu znásobování a usměrnění fotonů za pomoci jevu stimulované emise. „Výsledkem je svazek s nízkou rozbíhavostí, který je na rozdíl od přirozených světelných zdrojů koherentní, tedy statisticky uspořádaný, a ve většině případů monochromatický, tedy jednobarevný,“ říká Jan Brajer z Fyzikálního ústavu AV ČR, který se laserům věnuje mj. v souvislosti s programem Strategie AV21 Světlo ve službách společnosti.

Když v prosinci 1964 – jen pár měsíců po britské premiéře bondovky – přebírali Charles H. Townes a Nikolaj G. Basov s Alexandrem Prochorovem Nobelovu cenu za fyziku, kterou jim Královská švédská akademie věd přisoudila za poznatky z roku 1961 vedoucí k objevu laseru, dostalo se fyzice díky filmovým fanouškům té nejlepší popularizace.

Ostatně, laser z pláten a obrazovek nezmizel. Vynálezce Q ho v dalších příbězích o špionovi s povolením zabíjet vkládal například do hodinek. Na světelných paprscích stojí i celá série Hvězdných válek a také jiné sci-fi nebo akční snímky využily jejich vizuální atraktivity – jmenujme třeba Star Trek s vlečným paprskem nebo Mission: Impossible a Past, v nichž hlavní hrdinové musejí zdolat síť laserů detekujících pohyb, chtějí-li prolomit bezpečnostní opatření.

Žijeme ve století fotonu

Na rozdíl od kinematografie se s laserem v reálném světě setkáváme v méně dramatických situacích, zato téměř na každém kroku. Ne nadarmo se dnešní době přezdívá století fotonu.

Pojďme společně: ráno se vzbudíte, nasnídáte se, jedete do práce a v autě si pouštíte oblíbené CD, ve kterém se používá pro vyčítání zvukové stopy laser. Zaposloucháte se, až přešvihnete povolenou rychlost, a hned vás policie zaměří laserovým dálkoměrem. Chcete si spravit náladu, stavíte se pro něco dobrého na zub a u pokladny vám každou položku nasnímá červený laser prostřednictvím čárového kódu. „To je mimochodem nejrozšířenější aplikace laseru na světě,“ uvádí Tomáš Mocek, koordinátor programu Světlo ve službách společnosti a vedoucí centra HiLASE.

Kdo někdy rekonstruoval nebo stavěl dům, velice pravděpodobně v rukou pozvaných řemeslníků spatřil laserové měřiče vzdálenosti, klasický metr už pomalu patří do propadliště dějin.

Obr. V obchodech a lékárnách se využívá principu laserové čtečky kódů na výrobcích

Vedle toho laser může dům i chránit, a to citlivými senzory pohybu. Bývá také součástí tiskáren a častým pomocníkem je při přednáškách či konferencích v podobě laserového ukazovátka (byť jejich zdravotní nezávadnost je diskutabilní). Jako svého druhu ukazovátko ale slouží i zaměřovače na ručních zbraních, ve vojenství se laser používá rovněž k měření vzdáleností nebo přesnému trasování cíle. Koneckonců, právě armádní technologie byly během studené války jednou z priorit výzkumu laserů.

Kódovaný cejch

V naprosto masivním rozsahu se laser využívá v průmyslu. V současnosti se bez něj neobejde snad žádná strojírenská firma. Lasery bývají integrovány do výrobních linek, aby svářely dílce, řezaly je nebo kalily různé materiály.

Důležité jsou i pro tak zdánlivě marginální záležitost, jako je technologické popisování. Každá jednotlivá součást jednoho celku dostane laserový cejch ve formě QR kódu, díky čemuž je možné ji zpětně zkontrolovat, spárovat, dohledat a podobně. „Dříve se popisovalo inkoustem, dnes už se k modernímu popisování používá laser. Stejnou technologií, respektive odebíráním barvy, vznikají i loga značek vzadu na telefonech nebo podsvícené nápisy na tlačítkách v autech či klávesnicích,“ vyjmenovává Jan Brajer.

Nelze si nicméně představovat, že existuje jeden laser a ten při různém nastavení řeže do kovu i dřeva, gravíruje i svařuje. Vždy závisí na tom, jakou absorpci má materiál při dané vlnové délce. Pro většinu známých materiálů proto existují jakési návody se stanovenými parametry a každý laserový systém musí být takřka sestaven na míru kýžené činnosti.

Technologie už dosáhly takového pokroku, že laser při řezání milimetrového plechu oceli pracuje běžně rychlostí jeden metr za sekundu, rozřízne ale až pěticentimetrovou ocel a poradí si s diamantem nebo keramikou, tedy velmi tvrdými materiály.

Obr. Laser umožňuje vysoce přesné řezání kovových plátů na CNC strojích.

Bez falešné skromnosti je třeba podotknout, že laserové zdroje z centra HiLASE jsou v současnosti naprostou vědeckou špičkou. Na míru sestaveným laserem z Dolních Břežan lze dosáhnout velmi přesného opracování díky ultrakrátkým pulzům, které jsou dlouhé jen jednu pikosekundu (biliontinu sekundy).

Silák mezi lasery

Je jasné, že veškeré součástky strojů a konstrukcí se při dennodenním používání namáhají a ani tvrdý kov dlouhodobě nevydrží velký tlak a nepříznivé podmínky bez ztráty kytičky. Příkladem může být lodní šroub, kde rotací vznikají bublinky, které pomalu, ale jistě materiál vyžírají.

Vědci v HiLASE ve spolupráci s kolegy z Ústavu termomechaniky AV ČR a liberecké Technické univerzity přišli s řešením v podobě vyklepávání nejvíce zatížených míst laserem. „Technologie laser shock peening je ve světě známa už řadu let, ale průmyslově se využívá jen pro specifické problémy. V zásadě jde o to, že na základě predikce, kterou vypracuje Ústav termomechaniky AV ČR, jsme schopni určit, jaká místa lodního šroubu budou nejvíce poškozená a co v nich způsobí ošetření laserem. Právě do těchto lokalit namíříme laser a vystřelíme krátký pulz,“ líčí postup Jan Brajer.

Jakou má zařízení sílu, naznačuje už jen jeho jméno. Bivoj. Nedostalo ho nadarmo, před čtyřmi lety jako první na světě dosáhlo kilowattového výkonu, což je pro laser tohoto typu absolutní špička. Na povrchu materiálu paprsek vyvolá doslova explozi, jíž docílí tlaku až několika gigapascalů. Daným místem tak proběhne rázová vlna, která materiál zpevní a jakoby se zamačká do sebe.

Obr. Laserový systém Bivoj je držitelem několika rekordů, nedávno dokonce dosáhl energie 145 J

Za účelem tvrzení namáhaných míst strojů, motorů, turbín nebo třeba i šlapek u jízdního kola se sice tradičně používají jiné, mechanické metody, jako je metání kovových kuliček, písku, válečkování, nicméně v testech se ukázalo, že laser shock peening dokáže materiál zpevnit do pětkrát větší hloubky a v případě kavitační eroze neboli souboje lodního šroubu s bublinkami dosahuje laser dvojnásobného prodloužení životnosti dílce.

Návrat k přírodě

Technologii laserového vyklepávání se dolnobřežanské centrum nyní věnuje i v souvislosti s 3D tiskem a topologickou optimalizací. Pod strohým názvem se skrývá sympatická inspirace přírodou. Ta si vždy ví rady a díky evoluci vyvinula ty nejlepší tvary – „konstrukce“ zesílené v místech, kde dochází k největšímu namáhání, a štíhlé tam, kde je naopak menší napětí.

Velice přírodně by jednou mohl vypadat například rám jízdního kola – skoro jako kmen stromu nebo větev. Potíž přichází ve chvíli, kdy je na něj potřeba napojit další součásti. V kritických místech, kde by cyklickým namáháním mohly vzniknout trhliny, ovšem zase poslouží laser shock peening.

Své závěry hodlají vědci z HiLASE co nevidět publikovat a přemýšlejí o tom, jaké firmy by o novou technologii mohly mít zájem. „Bezesporu by našla uplatnění v leteckém průmyslu, jenže tam je všechno na dlouhé lokte, různé certifikace trvají klidně i deset let, navíc koronavirová krize zasadila létání těžkou ránu a firmy budou šetřit.“ Větší šance Jan Brajer vidí v biomedicíně, kde se 3D tisk implantátů, kostních i tkáňových náhrad běžně používá a hledají se způsoby, jak zvýšit jejich životnost.

Vedle kmenů jsou z přírodních tvarů pro fyziky zajímavé i lotosové listy nebo žraločí šupiny, naučit se od nich mohou, jak ideálně upravit povrch předmětu, aby po něm dobře klouzala voda a vzduch. „Díky mikroobrábění jsme schopni laserem vytvořit řadu textur, nejen hydrofilní či hydrofobní, tedy vodupřitahující a voduodpuzující. Jako jedni z mála na světě to navíc dokážeme rychle. Jeden paprsek výkonného laseru umíme optickým zařízením rozdělit do tisíce svazků, takže i pracovní tempo laseru je tisícinásobné,“ popisuje Jan Brajer mechanismus přístroje s poetickým názvem Perla.

Dobrý sluha, špatný pán

Laser je mocný nástroj. Tak jako dokáže pomoci – ať už ve zdravotnictví, nebo v průmyslu –, umí také ublížit. I proto se výrobci musejí řídit přísnými bezpečnostními pravidly. Při špatné manipulaci mohou i slabší paprsky poškodit oční sítnici, ve své podstatě ji popálí. Ne nadarmo všichni výzkumníci v HiLASE v blízkosti laserů nosí ochranné brýle.

O to pozornější musejí být, když testují limity pulzních laserů a jaké množství laserového záření materiál vydrží, než v něm paprsek vypálí díru. Měření prahu poškození slouží výrobcům zrcadel či krystalů do optických zařízení a čoček. Zjednodušeně řečeno by vědci byli schopni změřit i výdržnost štítů bránících útokům laserových zbraní.

Je to ve hvězdách

Řada nápadů na využití laseru ve vesmíru stále spadá do kategorie sci-fi, ani na tomto poli však vědci nezahálejí. Reálně se uvažuje o technologii, která by z oběžné dráhy mohla sestřelit asteroidy řítící se na Zemi. Velmi konkrétní obrysy pak má aplikace 3D tisku na Mezinárodní vesmírné stanici (ISS). První součást – plastový klíč na utahování šroubu – si astronauti vytiskli dokonce už v roce 2012.

Daleko palčivějším tématem je ovšem kovový 3D tisk. „Má to jednoduché vysvětlení. Na ISS se každoročně musí vyměnit asi čtyři sta padesát kilogramů dílců. Kvůli tomu je na Zemi uskladněno okolo sta tun náhradních součástí a na stanici na orbitě dalších patnáct tun. Pokud by se dílce tiskly z kovového prášku přímo tam, výrazně by se ušetřilo,“ říká Jan Brajer s tím, že 3D tiskárna je také žhavým kandidátem na jeden z prvních strojů při osidlování Měsíce nebo Marsu.

Evropská kosmická agentura představila svůj koncept permanentní základny na Měsíci už před několika lety. Vzhledem k tomu, že ho nechrání atmosféra před vesmírnou radiací ani dopadajícími asteroidy, vytvořil by robot vybavený 3D tiskárnou nad základnou jakousi krustu z měsíčního prachu. A jak Jan Brajer upozorňuje, laserovým spékáním by vlastně mohl vzniknout materiál podobný sklu.

Není to nádherná představa? A přitom je daleko víc reálná, než že by nějaký laser ze Země vypálil díru do Měsíce, o čemž filmové diváky přesvědčoval padouch Goldfinger ve známé bondovce.

Text: Jana Bečvářová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR (5.3.2021)