Nemůžete být menší ani přesnější

Laserové pulzy v biliontině sekundy pro řezání, svařování a strukturování

Ultra-krátký pulzní laser (zkráceně USP laser) je obecný pojem pro všechny laserové zdroje, které generují pulzní laserové paprsky v rozsahu pikosekund až femtosekund. Tyto velmi krátké laserové pulzy, pohybující se od biliontiny do kvadriliontiny sekundy (≙ 10^-12 – 10^-15 s; pro srovnání: lidské mrknutí trvá asi 300–400 milisekund), se používají hlavně při zpracování materiálů, v biovědních oborech a ve výzkumu. Díky extrémně krátké době koncentrace energie emitovaného záření dosahují USP lasery velmi vysokých špičkových výkonů až do megawattů, a s dodatečným prostorovým zaostřením dokonce až do gigawattového rozsahu. Tyto vysoké intenzity umožňují ablaci téměř jakéhokoliv materiálu, bez ohledu na tvrdost, teplotu vypařování nebo absorpční spektrum. Základ tohoto principu spočívá v nelineárních jevech vyplývajících z interakce světla a hmoty.

Rozlišení od ostatních laserů

Pokud proces ablací materiálu, například laserové svařování nebo strukturování povrchu, využívá USP laser, materiál se odpařuje díky velmi vysokým teplotám a krátké době interakce, vyplývající z přímého přechodu fáze z pevného stavu do plynného. Při použití jiných typů laserů nejprve dochází k ohřevu materiálu laserovým paprskem, který způsobí jeho roztavení a teprve následně odpaření. Proto se zpracování materiálů ultra-krátkými pulzními lasery často nazývá „studené zpracování“. Ideálně je aplikovaná energie zcela odvedena odpařenými částicemi. Kromě mikroskopické zóny interakce zůstává zpracovávaný materiál zcela studený. Další výhodou USP laserů, kromě vysoké přesnosti, je možnost zpracování i náročných materiálů (např. citlivé kompozity, polymery nebo dokonce lidská tkáň). Je možné strukturovat, vrtat a řezat různé tvary s přesností v mikrometrovém rozsahu.

Díky těmto speciálním vlastnostem otevírají ultra-krátké pulzní lasery nové možnosti zpracování materiálů a povrchů, které nelze realizovat pomocí konvenčních (laserových) nástrojů.

Zpracování materiálů USP laserem v průmyslu

Jak již bylo zmíněno, použití USP laserů minimalizuje tepelnou zátěž, což umožňuje zpracování velmi tenkých (µm) nebo teplem citlivých materiálů. Například sklo lze USP lasery řezat čistě a bez prasklin na okrajích. To dělá USP procesy atraktivní i pro výrobu displejů, např. pro smartphony. Extrémně krátký a intenzivní přísun energie zajišťuje lokální odpaření materiálu a tím přesné řezné hrany a struktury, bez ohledu na tloušťku materiálu, např. i u keramiky a kovů. Lokální zpracování, například vrtání, je možné s mikrometrovou přesností a využívá se mimo jiné při výrobě fotovoltaických článků.

USP lasery lze použít nejen pro laserové řezání, ale i pro laserové svařování. Tento tepelný proces může nahradit lepidla a zajistí pevné spojení i různorodých materiálů. USP lasery lze využít také pro strukturování povrchů před svařováním. Strukturování povrchů USP laserem může v některých aplikacích dokonce nahradit povlaky.

Díky extrémní přesnosti se ultra-krátké pulzní lasery stále více využívají v polovodičovém průmyslu, například při řezání waferů, kde se používají k vrtání otvorů s mikrometrovou přesností a k propojení jemných PCB stop. Křemíkové wafery lze odpařit bez poškození či vzniku prasklin.

Kromě vysoké kvality struktury a minimálního poškození povrchu je možné laserovým značením využít chemickou odolnost při USP zpracování. Lasery jsou osvědčeným nástrojem pro označování součástí či produktů. USP lasery umožňují trvalé značení bez otřepů až do jednotek mikrometrů.

Ultra-krátké pulzní lasery v medicíně a vědě

Výhody přesných řezných hran a čistého zpracování lze využít i v medicíně. Keramické materiály používané v medicínské technice, například oxid hlinitý nebo oxid zinečnatý, které se stále častěji využívají díky mechanickým, tepelným, elektrickým a chemickým vlastnostem, lze USP lasery přesně řezat a zpracovávat bez prasklin. Mikrořezy generované USP lasery jsou nezbytné například při výrobě stentů.

V medicíně lze USP lasery využít nejen ke zpracování materiálů, ale i k léčbě lidského těla. V oftalmologii se používají k léčbě šedého zákalu a umožňují vysoce přesné a minimálně invazivní řezy v oku. USP lasery se také používají k odstranění tetování – drtí pigmentové částice v kůži, aniž by poškodily okolní tkáň.

Ve vědě USP lasery umožňují pozorování, detekci a modifikaci ultrarychlých procesů a využívají se například v různých spektroskopických a mikroskopických aplikacích. Příkladem jsou laserová skenovací mikroskopie (např. multiphotonová mikroskopie), ultrarychlá spektroskopie (všechny spektroskopické metody s časovým rozlišením v femtosekundovém rozsahu) nebo optická koherenční tomografie (diagnostická metoda využívající světlo s nízkou koherencí k měření rozptylových vzdáleností).

Od mikro k makro zpracování – budoucí vývoj USP laserů

USP lasery se dlouhodobě využívají při zpracování materiálů, v medicíně a vědě díky impozantním výhodám, mezi které patří:

• Silná lokalizace přísunu energie (v místě dopadu / nanoskopická interakční zóna)
• Prevence tavení a usazenin
• Cílené využití nelineárních absorpčních mechanismů
• Velmi vysoká přesnost a kvalita struktury
• Zpracování velmi tenkých materiálů až do mikrometrového rozsahu

Průmysl rovněž stále více oceňuje výhody těchto laserů. Pokusy o nasazení USP laserů v sériové výrobě byly v posledních letech testovány a dále rozvíjeny. Vyšší laserové výkony posunou tuto technologii na novou úroveň. První ultra-krátké pulzní lasery s výkonem několika set wattů a dokonce přes jeden kilowatt jsou již na trhu a umožňují zpracování materiálů v makro rozsahu. Vyšší výkon umožní střednědobě opracovávat i extrémně tvrdé materiály.