Lasery femtosekundowe – duża moc i szerokie zastosowanie

16-10-2018

Polskie lasery femtosekundowe są wykorzystywane do cięcia laserów, obserwowania reakcji chemicznych oraz w medycynie – w operacjach korekcyjnych wzroku i obrazowaniu biomedycznym.

Spółka Fluence produkuje lasery, które wytwarzają superszybkie impulsy laserowe o bardzo dużej mocy. W laserach tych zastosowano technikę CPA (ang.: chirped pulse amplification). Za opracowanie tej techniki Gerarda Mourou (Francja, USA) i Donna Strickland (Kanada) odbiorą tegoroczną nagrodę Nobla.

1030 nm Industry Grade Femtosecond Oscillator (fot.: fluence.pl)

1030 nm Industry Grade Femtosecond Oscillator (fot.: fluence.pl)

Laser femtosekundowy może wytworzyć ogromną moc chwilową - w niektórych przypadkach nawet milion razy większą niż największa elektrownia w Polsce. A jest to możliwe, bo moc ta wytworzona jest w bardzo, bardzo krótkim czasie - rzędu kilkunastu femtosekund (jedna sekunda to aż milion miliardów femtosekund). Jak dotąd firma Fluence jest jedyną w Polsce, która produkuje takie lasery.

"Widzimy dla naszych laserów duży potencjał zastosowań. Największym rynkiem jest tzw. precyzyjna mikroobróbka laserowa" - mówi dr Nejbauer. Jak wyjaśnia, kiedy materiał naświetla się superkrótkimi impulsami laserowymi zamiast ciągłym światłem lasera, zniszczenia dookoła naświetlanego miejsca są praktycznie żadne. Materia w kontakcie z tak ogromną mocą gwałtownie wyparowuje. "Dzięki laserom femtosekundowym potrafimy ciąć bardzo trudne materiały jak ceramikę, diamenty, szkło hartowane i to z bardzo wysoką precyzją w skali mikro " - opowiada dr Michał Nejbauer, managing direcor w Fluence.

Lasery femtosekundowe mogą przecinać jednak materiały bardzo twarde jak również bardzo delikatne. Dlatego są znajdują zastosowanie w medycynie.

"Podczas operacji rogówki laser femtosekundowy robi o wiele mniejsze spustoszenie w przecinanej tkance niż innego typu lasery. Jest nie tylko bardziej precyzyjny, ale też oko szybciej wraca do zdrowia" - mówi dr Nejbauer.

Polskie lasery znajdują też zastosowanie w mikroobróbce materiałowej - m.in. w strukturyzowaniu powierzchni. Za pomocą samego naświetlania laserem można zmieniać właściwości powierzchni danego materiału, uzyskać np. powierzchnie hydrofobowe lub hydrofilowe czy odbijające światło o zadanych długościach fal. "To nowa fizyka. Tam się dzieją rzeczy, które naukowcy wciąż badają" - zwrócił uwagę dr Nejbauer.

Lasery femtosekundowe znajdują też zastosowanie w obrazowaniu biomedycznym. "To tzw. mikroskopia wielofotonowa. Dzięki mikroskopii wielofotonowej możemy zobaczyć więcej szczegółów w badanych tkankach niż w tradycyjnej mikroskopii fluorescencyjnej" - mówi rozmówca PAP.

Naukowcy korzystają też z laserów femtosekundowych, aby podglądać reakcje chemiczne. A one przebiegają bardzo, bardzo szybko. Dzięki tak krótkim impulsom lasera reakcje te można teraz podglądać na gorącym uczynku. Spektroskopia femtosekundowa została nagrodzona Nagrodą Nobla z chemii w 1999 roku.

"Lasery femtosekundowe długo uchodziły za wrażliwe na warunki zewnętrzne, np. drgania i temperaturę. W przemyśle długo nie mogły znaleźć zastosowań, bo były zbyt drogie w serwisowaniu. Drobne perturbacje powodowały, że laser się psuł" - mówi dr Nejbauer. Wyjaśnia, że przy tworzeniu pierwszej generacji laserów femtosekundowych konieczne były klasyczne elementy optyczne takie jak np. zwierciadła, kryształy i soczewki. "A nasze lasery produkujemy w technologii całkowicie światłowodowej przez to urządzenie ma mniejsze szanse, aby ulec awarii. To duża przewaga w stosunku do wcześniejszych rozwiązań" - opowiada.

Zaprojektowany przez Fluence oscylator femtosekundowy jest jednym z najmniejszych na świecie laserów femtosekundowych emitujących światło na długości fali 1030 nm Dzięki polskiej konstrukcji, laser femtosekundowy jest też tańszy w produkcji i zajmuje mniej miejsca niż konkurencyjne produkty. „Nasz najmniejszy laser femtosekundowy jest wielkości kartki A5 i wysokości ok. 3 cm" - opowiada naukowiec. Dodaje jednak, że lasery o większych mocach są większe. Przykładowo lasery o mocy rzędu kilkudziesięciu watów zajmują już połowę biurka.

"Gdyby nie rozwiązanie zaproponowane przez noblistów w 1985 roku, opracowanie naszych laserów nie byłoby możliwe" - podsumowuje naukowiec. Tegoroczni laureaci nagrody Nobla już wtedy pokazali, jak można wzmacniać impulsy femtosekundowe nie niszcząc po drodze elementów optycznych pomimo niezwykle wysokiej szczytowej mocy urządzenia. Technika ta polega na rozciągnięciu w czasie impulsu laserowego po to, aby zmniejszyć jego moc chwilową, następnie wzmocnieniu, a na końcu „ściśnięciu” impulsu do swojego pierwotnego czasu trwania.

Źródło: PAP - Nauka w Polsce