Немецкой премии будущего удостоился фемтосекундный лазер

В среду, 4 декабря, в берлинском Экспо-центре состоялась торжественная церемония присуждения Немецкой премии будущего за 2013-й год. По традиции, решение жюри огласил президент Германии Йоахим Гаук (Joachim Gauck).

В преддверии церемонии мы напомнили об истории этой премии, о критериях, которыми руководствуется жюри, отбирая победителя среди десятков номинированных разработок, и коротко представили все три проекта-финалиста. Сегодня же мы расскажем о победителе более подробно.

Лазер лазеру рознь

Немецкой премии будущего за 2013 год удостоился проект под названием "Лазеры сверхкоротких импульсов для массового промышленного производства". Речь тут идет о так называемых фемтосекундных лазерах, имеющих мало общего с обычными лазерами и обладающих целым рядом уникальных свойств.

В том, что лазерным лучом можно кроить, сверлить, плавить и сваривать металлы, стекло и пластмассы, нет ничего нового. Лазерные технологии обработки материалов применяются давно и весьма широко, особенно в машиностроении, поскольку лазер имеет множество преимуществ перед традиционными инструментами: работает бесконтактно, не изнашивается, обеспечивает высокую точность и стабильность заданных параметров, а заготовка при этом почти не деформируется. Например, в кузовных цехах автомобилестроительных фирм для раскройки стального листа толщиной в несколько миллиметров используются лазерные резаки мощностью в десятки киловатт.

Однако для некоторых прецизионных операций такие лазеры не годятся. Скажем, ими практически невозможно сверлить отверстия особо малых диаметров, поскольку материал оплавляется, а поведение расплава плохо поддается контролю. Между тем, потребность в подобных технологических операциях испытывали многие предприятия самых разных отраслей.

Луч света, нарезанный на ломтики

Решить проблему удалось группе специалистов, удостоенных теперь Немецкой премии будущего. "Подлинная инновация нашего проекта состоит в том, что мы создали совершенно новый инструмент, пригодный для производства очень широкого ассортимента изделий", - говорит один из лауреатов - Йенс Кёниг (Jens König), глава отдела лазерной обработки материалов и технологии соединений научно-исследовательского подразделения фирмы Robert Bosch в Швибердингене.

Фемтосекундный лазер мало похож на тот "гиперболоид инженера Гарина", с которым обычно ассоциируется лазер. Прежде всего, это импульсный лазер, но главное его свойство - чрезвычайно короткая продолжительность импульсов, измеряемая пико- или даже фемтосекундами, то есть триллионными или даже квадриллионными долями секунды. Еще один свежеиспеченный лауреат Немецкой премии будущего - Штефан Нольте (Stefan Nolte), профессор Института прикладной физики Йенского университета и научный сотрудник Института прикладной оптики и микромеханики в Йене, - поясняет: "Если я включу фонарик на одну секунду, луч света успеет протянуться от Земли до Луны. А за те несколько пикосекунд, о которых у нас идет речь, свет успеет преодолеть лишь пару миллиметров. То есть наш лазер испускает не сплошной луч, как, скажем, лазерная указка, а луч, нарезанный на очень тонкие ломтики".

От форсунки до стента

Эти импульсы обладают колоссальной мощностью, достигающей сотен мегаватт, но длятся ничтожно короткое время. Именно это и делает такой лазер ценным инструментом: когда импульс попадает на обрабатываемую заготовку, материал не плавится, а мгновенно испаряется. Это позволяет обрабатывать заготовку быстро, экономично, а главное - с недостижимой еще совсем недавно точностью. Например, выполнять отверстия сколь угодно малого диаметра с точностью до микрометра. В частности, фирма Robert Bosch использует такие системы в производстве прецизионных форсунок для систем подачи топлива в автомобильных двигателях. Практически все автомобилестроительные фирмы закупают эти уникальные изделия на фирме Bosch, поскольку они позволяют значительно - почти на 20 процентов - повысить экономичность двигателя.

А ключевую роль в налаживании производства этих лазерных систем сыграл третий лауреат Немецкой премии будущего - Дирк Зуттер (Dirk Sutter), глава отдела лазеров сверхкоротких импульсов фирмы TRUMPF Laser в Шрамберге в Шварцвальде. "Наша инновация успешно шагнула из лаборатории, от идеи, в массовое промышленное производство, - говорит инженер. - На эту технологию только на нашем шварцвальдском заводе завязано около 70 рабочих мест. Мы выпускаем сейчас примерно 200 лазерных систем в год - а спрос на них стремительно растет".

Тем более что сфера применения таких систем отнюдь не ограничивается автомобильной промышленностью: они востребованы также в производстве солнечных батарей, смартфонов, бытовой электронной аппаратуры и даже кардиоимплантатов.