23.07.2001 Международная выставка "Лазер - 2001" (Часть 1)
Около девятисот фирм из 30-ти стран приняли участие в прошедшей недавно в Мюнхене 15-й Международной выставке лазерной техники «Лазер-2001» – самом крупном в мире форуме этого рода. Сегодня я предлагаю вам рассказ о наиболее интересных разработках из тех, что были представлены на выставке. Но прежде, чем мы с вами отправимся осматривать экспозицию, хочу вкратце напомнить, что же такое лазер.
Само название является аббревиатурой английского словосочетания Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе означает «усиление света вынужденным излучением». Лазер – это оптический квантовый генератор, источник когерентного электромагнитного излучения. Его действие основано на использовании индуцированного излучения света так называемой активной средой, помещённой в оптический резонатор. Активная среда – это возбуждённые атомы, ионы, молекулы или иные частицы вещества; оптический резонатор – это система отражающих поверхностей, в которой возбуждаются и поддерживаются электромагнитные колебания в оптическом диапазоне длин волн с излучением в свободное пространство. Под действием внешнего – то есть вынуждающего – электромагнитного излучения активная среда способна совершать вынужденные квантовые переходы и усиливать это излучение, сохраняя при этом его частоту, фазу, направление распространения и поляризацию. Такое усиление возможно, если активная среда находится в состоянии, при котором количество частиц на возбуждённом энергетическом уровне превышает число частиц на нижерасположенном уровне. Для создания и поддержания этого состояния, именуемого в квантовой электронике инверсией населённостей, используются специальные методы – так называемая накачка. По типу активной среды различают газовые, жидкостные и твердотельные, в том числе полупроводниковые лазеры. Метод накачки выбирается в зависимости от структуры активной среды: это может быть накачка светом, пучком электронов, электрическим полем, газовым разрядом, химической реакцией, инжекцией неравновесных носителей заряда и так далее. Ну а теперь настало время послушать репортаж Натальи Королёвой, побывавшей на мюнхенской выставке: «Лазеры и оптоэлектроника», «Лазеры в сенсорике, измеренительном и диагностическом оборудовании», «Лазерная оптика», «Лазеры в информатике и телекоммуникация», «Лазерные технологии в производственном процессе», «Лазерная медицинская техника» – уже названия разделов экспозиции говорят о том, что редкая отрасль промышленности, да, пожалуй, и редкая сфера человеческой жизни вообще обходится сегодня без применения лазерных технологий. Только благодаря лазерам в последние годы был решён целый ряд самых разных технических проблем. Ясно, что и сама лазерная технология стремительно развивается. «Героями сегодняшнего дня» можно смело считать твердотельные лазеры с диодной накачкой. О преимуществах этого нового поколения лазеров я попросила рассказать Торстена Фрауэнпрайса – руководителя отдела маркетинга гамбургской компании «Рофин». Эта компания – один из мировых лидеров по выпуску лазерной техники для промышленной обработки материалов.
- - Эта выставка – яркое свидетельство того, что в нашей отрасли произошел технологический переворот. Это касается, прежде всего, особого вида лазеров, которые находят сегодня применение в самых разных областях. Я говорю о диодах и диодной накачке. Иными словами, мы используем один лазер для того, чтобы заставить излучать другой лазер. Этот приём обеспечивает исключительно высокое качество луча, а сфера применения лазерной технологии расширяется во сто крат – от сварки металлических конструкций, скажем, в автомобилестроении, до производства интегральных микросхем и гравировки ювелирных изделий. Сегодня наблюдается тенденция к использованию всё более холодных лазеров, позволяющих избежать такого термического воздействия на поверхность детали, которое негативно повлияло бы на свойства материала. Не случайно здесь на выставке широко представлены фемтосекундные лазеры – это лазеры, способные давать световые импульсы, продолжительность которых измеряется фемтосекундами, то есть миллионными долями одной миллиардной доли секунды.
Штат гамбургской компании «Рофин» насчитывает более 1100 человек. Помимо филиалов в разных городах Германии, фирма имеет представительства в США, Великобритании, Японии, Сингапуре. Продукцию компании, оборот которой составляет 220 миллионов долларов в год, покупают в 35-ти странах мира. Её клиенты – это и автомобилестроительные концерны, и предприятия по производству полупроводниковой электронной техники, и судостроительные верфи, и авиационные заводы, и фирмы, выпускающие упаковочные материалы и изделия медицинского назначения, и предприятия, специализирующиеся на маркировке товаров. Руководитель одного из подразделений компании «Рофин» Петер Вирт рассказывает о последних разработках:
- - На эту ярмарку мы привезли новые высокомощные лазеры с диодной накачкой. Номинальная мощность этих лазеров достигает 6-ти киловатт. Кроме того, мы демонстрируем здесь целый ряд лазеров, предназначенных для нанесения маркировки на автомобильные детали и идентификационных номеров на двигатели и шасси. Раньше, как известно, номера было принято наносить методом штамповки, что в той или иной мере деформировало и повреждало изделие. А лазерная гравировка не оказывает никакого негативного воздействия на качество поверхности. Кроме того, такая маркировка гораздо долговечнее, а штриховые коды, нанесённые лазером, могут считываться специальными сканерами в автоматическом режиме. Не говоря уже о скорости самого процесса: лазерный прибор гравирует до тысячи знаков в секунду.
Компания «Рофин» тесно сотрудничает с Ахенским институтом лазерной техники имени Фраунхофера. В сферу деятельности этого института входят не только проектирование и разработка новых лазерных систем и их компонентов, но и создание промышленных технологий обработки поверхностей и материалов с использованием лазеров. Петер Лоозен, заместитель директора института, демонстрирует выставленные на стенде компактные приборы, размерами не превышающие блок сигарет, и поясняет:
- - Перед вами так называемые батареи диодных лазеров. Такие батареи состоят из множества отдельных лазеров, мощность каждого из которых составляет всего лишь несколько десятков ватт. Но скомбинированые вместе и в сочетании с соответствущими микро- и макрооптическими системами, эти лазеры образуют батарею, которая, несмотря на скромные габаритные размеры, способна обеспечить суммарную выходную мощность излучения в 2-3 киловатта. Подобные батареи с успехом применяются в автомобилестроительной промышленности. Обработка лазерным лучом поверхности кузова автомобиля вызывает микроструктурные изменения, повышающие её твёрдость и, соответственно, износостойкость. Именно такая технология используется, например, при производстве новой модели автомобиля «Ауди» – «А-2». Почти весь его кузов выполнен из алюминиевого сплава, который подвергается поверхностному упрочнению с помощью лазера. С одной стороны, кузов получается лёгкий, что повышает экономичность машины и снижает расход горючего, а с другой строны – достаточно жёсткий и прочный.
В модели «Ауди А-2» – как, впрочем, и во многих других автомобилях последних лет – использовано устройство, позволяющее запирать и отпирать машину дистанционно, без помощи обычного механического ключа. На первый взгляд, и вмонтированный в двери машины запорный механизм, и ключ-датчик, представляющий собой плоскую пластмассовую коробочку с кнопкой, сами по себе не имеют к лазерной технологии никакого отношения. Однако, по словам Петера Лоозена, при ближайшем рассмотрении это всё же не так:
- - Вы нажимаете на кнопку, элемент испускает инфракрасный луч, и машина запирается или отпирается. Всё просто. Но проблема в том, что эта невзрачная на вид пластмассовая коробочка нашпигована сложной, а главное – чувствительной электроникой. Коробочка должна быть запаяна наглухо – чтобы ни проливной дождь, ни случайное попадание в стиральную машину не могли вывести её из строя. Склеивание оказалось слишком трудоёмким процессом, традиционная сварка не годилась, поскольку термическое воздействие портило электронную начинку. А вот лазерная сварка по всем параметрам идеально подошла для решения этой задачи.
Продолжая экскурсию по экспозиции института имени Фраунхофера, Петер Лоозен подводит меня к витрине с микрооптическими приборами и указывает на миниатюрный сканер.
- - Эта механическая система способна очень быстро и очень точно регулировать направление луча. Это очень важно, если та или иная производственная операция требует применения не стационарного, а портативного лазера. Мы предлагаем как отдельные компоненты, так и комплексное обрудование, объединяющее все эти компоненты в одну систему. В конечном счёте, это оборудование позволяет не только повысить качество продукции, не только сделать производство более гибким и эффективным, но и существенно снизить расходы.
От микрооптических приборов – к лазерной видеотехнике. Для её усовершенствования учёные института имени Фраунхофера разработали высокомощные диодные лазеры с новыми компонентами.
- Лоозен: Где только ни устанавливаются сегодня громадные телевизионные мониторы: в аэропортах, на вокзалах, на ярмарках. Но изображение они дают, как правило, очень слабое и размытое. Особенно, если на монитор падает прямой солнечный свет. Предлагаемая нами лазерная технология позволит обеспечить безукоризненное качество картинки – вне зависимости от условий освещённости помещения. В нашей системе используется лазерный луч, который затем делится на три основных цвета, из которых и складывается изображение – красный, зеленый, синий. Преломляет луч и направляет его на экран специальный сканер, оборудованный маленькими, быстро перемещающимися зеркалами-отражателями. Технология – та же, что и в предыдущем примере, а сфера применения – совсем другая: не производство, а визуализация.
Немало инновационных разработок в области лазерной техники представил и Университет имени Герхарда Меркатора в Дуйсбурге. Как и Ахенский институт имени Фраунхофера, он занимается прикладными исследованиями и является важным связующим звеном между наукой и производством. Рюдигер Бус – научный сотрудник Центра полупроводниковой техники и оптоэлектроники при Дуйсбургском университете. Он рассказывает о новом проекте в области медицинской техники, реализация которого сможет в корне изменить повседневную жизнь слепых людей. Рюдигер Бус демонстрирует миниатюрный дисплей.
- - Если проект завершится успешно, то этот дисплей будет имплантироваться пациентам, которые лишились зрения в результате помутнения роговицы, вызванного травмой. Дисплей интегрируется в искусственный хрусталик, а тот вживляется в глаз. Миниатюрная цифровая видеокамера, вмонтированная в оправу очков, регистрирует изображение окружающих человека предметов и передаёт его на дисплей-имплантат, а тот проецирует «картинку» на сетчатку глаза. Таким образом, пациент вновь обретает возможность ориентироваться в пространстве. Сегодня уже полным ходом идут эксперименты на животных, и они дают многообещающие результаты.
Андреас Штёр, другой сотрудник Центра полупроводниковой техники и оптоэлектроники при Дуйсбургском университете, занимается разработкой высокочастотных чипов для применения их в оптической коммуникационной и радиоастрономической технике.
- - Мы разработали самый высокоскоростной в мире фотодиод, доведя его рабочую частоту до 460-ти гигагерц. Следующий барьер – 650 гигагерц – мы намерены преодолеть уже в нынешнем году. А вообще наша задача – создание фотодиода с рабочей частотой до одного терагерца. Такие фотодиоды будут использованы в антеннах гигантских радиотелескопов, монтаж которых ведётся сейчас Европейской южной обсерваторией в чилийской пустыне Атакама.
Проекты, реализуемые литовской компанией «Станда», носят более приземлённый характер. Но это отнюдь не снижает спрос на продукцию фирмы, специализирующейся на производстве приборов точной механики. Особая «изюминка» на стенде «Станды» – лазеры, используемые в косметологии. Президент компании Михаил Берба поясняет:
- - Для этих целей мы используем лазер с вводом в оптическое волокно, а кроме того, разработали сейчас лазер с диодной накачкой. Такой прибор годится и для эпиляции, то есть для удаления волос, и для удаления татуировок. Сам лазер достаточно простой. Итак, доктор берёт в руки этот инструмент – источник лазерного излучения – и облучает волосяные луковицы. И такой процесс позволяет фактически – в основном, среди женщин это популярно – удалить волосы и не мучить себя простыми методами эпиляции. Операция производится в несколько подходов (хотя это даже нельзя назвать операцией, это безболезненный процесс): человек одну неделю облучается, потом, через семь дней, – ещё неделю, и волосы не растут пару лет. Но природа наградила человеческий организм свойством восстанавливаться. Нет такого метода пока, чтобы удалить волосы раз и навсегда. Но всё равно наш метод позволяет женщинам года два не мучиться и не использовать традиционные «садистские» приборы. Конечно, было бы ещё лучше, если бы лазер выращивал волосы лысым мужчинам, но пока мы этого эффекта не достигли...