Opustit studovnu

Laserové aplikace

Lasery jako supernástroj člověka mají v dnešní době uplatnění v moha oblastech lidské činnosti, díky unikátnostem, které v sobě laserové záření skrývá. Mezi tyto vlastnosti můžeme řadit zejména monochromatičnost – tedy to, že záření má stejnou vlnovou délku, malou rozbíhavost, což nám umožňuje tenký laserový svazek převádět na velkou vzdálenost bez toho, aby podstatně měnil geometrii svého profilu, a také je nutné zmínit koherenci laserového záření, která vyjadřuje spojitost šířící se vlny.

Mezi důležité informace pro různé druhy aplikací patří nejenom vlnová délka záření, tedy, ale také to, jak krátké laserové pulzy může laser produkovat a jakou v nich můžeme přenášet energii. V dnešní době je již běžné setkat se s kontinuálními lasery, které produkují záření prakticky bez přestávky (například laserové ukazovátko) až po jednotky femtosekund, což představuje hodnotu 10-15 s. Pokud se zaměříme na konkrétní laserové aplikace, mohli bychom určitě najít mnoho způsobů jejich dělení. Alespoň některé z nich se pokusíme přiblížit a pro jednoduchost rozdělíme jejich využití do tří následujících kategorií a to v průmyslu, medícíně a ve vědě.

V první části se tak zaměříme na průmyslové aplikace. Jak jsme již zmínili na začátku, laserový paprsek může přenášet značné množství energie a proto je možné fokusovaným laserovým paprskem řezat celou řadu komponentů z různých materiálů od trubek, nosníků, kovových plechů, plastů nebo dřeva. Výhodou je vysoká přesnost, rychlost a především čistota řezů.

K řezání a svařování se používají vysokovýkonné CO 2 lasery (10,6 μm) a Nd:YAG lasery (1064 nm), kdy hodnota v závorkách udává pracovní vlnovou délku laseru. Řezaný materiál je lokálně nataven laserovým svazkem a následně odfouknut tryskou s asistenčním plynem, což bývá obvykle dusík, kyslík nebo argon. Laserové svařování se provádí metodou tzv. klíčové dírky, kdy při počáteční interakci laserového paprsku je procesem odpaření materiálu vytvořena kavita, neboli dutina (klíčová dírka), jejíž stěny jsou tvořeny roztaveným materiálem. Tento roztavený materiál postupně zaplňuje dutinu za pohybujícím se laserovým paprskem. Samotný průběh tohoto procesu můžete vidět na přiloženém videu.

Další možností je, že nebudeme chtít materiál přímo oddělit, ale pouze provést nějaké specifické úpravy na jeho povrchu a tak zlepšit jeho vlastnosti. Mezi tyto procesy patří například laserové gravírování a mikroobrábění. Při laserovém gravírování je odpařením odebrána tenká vrstva materiálu z povrchu. Takto lze laserem opracovat ocel, hliník, nerez, měď, zlato a další kovy, ale i dřevo a sklo. Záleží čistě jen na nastavení laserového zařízení, kdy se nejčastěji opět používají CO 2 lasery pro dřevo a sklo, nebo Nd:YVO 4 lasery pro plasty a řadu kovů. Při použití velmi krátkých laserových impulzů v řádech femtosekund je možný tzv. studený proces (Cold Processing), kdy je materiál odpařen bez vedlejších tepelných
účinků. Takto je například možné gravírovat i hlavičku sirky, aniž by se zapálila. Mikroobrábění je souhrnný název pro technologie s cílem přesného opracování materiálu, například příprava hydrofilních (smáčivých), hydrofobních (nesmáčivých) a biokompatibilních povrchů, jejich texturování, modifikace koeficientu tření apod. Funkcionalitu hydrofobních povrchu lze opět shlédnout na videu.

Mimo výše zmíněné metody, kdy se laser používá k deformaci povrchu, nebo přímo k řezání a sváření, můžeme při použití výkonných krátkých fokusovaných pulsů přesně odpařovat pouze tenkou povrchovou vrstvu nečistot z kovově součástky, aniž by došlo k porušení původního povrchu. Při jemném ladění hustot výkonu laserového svazku je tak možné dostáhnout optimálního vyčištění, které by bylo jinými metodami nedosažitelné. K tomuto účelu se nejčastěji používají Nd:YAG lasery (1064 nm) nebo vláknové lasery a pomocí nich se úspěšně odstraňuje rez, mastné nečistoty nebo se s jejich pomocí restaurují staré umělecké památky. Některé příklady můžete opět vidět v naší videotéce.

Z předchozího textu by se mohlo zdát, že se lasery v průmyslové praxi hodí pouze v případě, kdy je zapotřebí odstranit nějakou část materiálu nebo ho jinak modikovat, avšak i v průmyslu se lasery využívají k několika dalším zajímavým účelům, kdy není jejich prvotním smyslem materiál deformovat/ničit. Jedním z příkladů je metoda laserového vyklepávání LSP, což je technologie používaná k vytvrzování namáhaných součástek s cílem prodloužení jejich životnosti. Pomocí vysokoenergetického laserového impulzu je na povrchu materiálu vytvořeno plazma, které generuje lokální šokovou vlnu, která se může šířit do hloubky materiálu a při svém průchodu tento materiál stlačovat a zanechávat v něm zbytkové tlakové napětí. Jelikož je tato metoda značně nákladná, používá se v průmyslu například k vytvrzování lopatek turbín, zpevnění svárů u parogenerátorů a v jaderných elektrárnách. Doplňující video najdete v naší videotéce.

Jednou z dalších vyvinutých aplikací je metoda 3D tisku z kovu, neboli tzv. selektivní laserové sintrování SLS (Selective laser sintering). Laserový svazek lokálně taví kovový prášek a po jednotlivých vrstvách tak dává vzniknout vysoce přesnému výrobku. V podstatě se touto metodou dají tisknout různé tvary, které by byly jinak velmi obtížné na výrobu klasickou technologií. Krátkou ukázku můžete najít pod textem níže, avšak doporučujeme navštívit i naši videotéku, kde je delší vysvětlení celého principu.

Pomocí vysokovýkonných krátkeých fokusovaných pulzů lze přesně odpařit tenkou vrstvu nečistot z povrchu kovové součástky aniž by došlo k porušení původního povrchu. Jemnou změnou hustoty výkonu laserového svazku je dále možné dosáhnout optimálního vyčištění, které jinými metodami není dosažitelné. Pro tyto aplikace se používají především lasery typu Nd:YAG (1064 nm) nebo vláknové lasery. Laserové čištění se používá k odstranění rzi, mastných nečistot, restaurování uměleckých předmětů.

Mimo odstranění nečistot lze dále laserový svazek využít k vytvrzování povrchu materiálů pomocí metody laserového vyklepávání (LSP). LSP (Laser shock Peening) je technologie používaná k vytvrzování namáhaných součástek s cílem prodloužit jejich životnost. Pomocí vysokoenergetického laserového impulzu je na povrchu materiálu vytvořena plazma, ta generuje šokovou vlnu, která se šíří do hloubky a materiál stlačuje – zanechává v něm zbytkové tlakové napětí. Tato metoda se díky své finanční náročnosti používá hlavně v průmyslu při vytvrzování lopatek turbín, zpevnění svárů u parogenerátorů v jaderných elektrárnách atd. Video z vývoje v jednom z tuzemských laserových centrech lze shlédnout v naší videotéce.

Mimo čistě průmyslové aplikace pak lasery nachází široké uplatnění v medicíně. Mezi hlavní medicínské obory a aplikace lze uvést například:

Lasery v oftalmologii

  • K odstranění dioptrií a astigmatismu se používají femtosekundové lasery. Zákrok probíhá tak, že laserový svazek pod svrchní vrstvou oka nejprve odseparuje vhodné části rohovky, ty pak chirurg malým řezem vytáhne ven. Výsledné zakřivení rohovky pak odpovídá zdravému oku. Průběh operace oka lze vidět na videu níže.
  • Glaukom nebo-li zelený zákal je onemocnění, při kterém dochází ke zvýšení nitroočního tlaku. Tento průběh si bohužel pacienti neuvědomí až do chvíle, kdy dojde k omezení funkčnosti jejich zraku. Zákrok jinak zvaný také jako laserová iridotomie pak pomocí laseru umožňuje vytvořit otvor v duhovce, který pomůže vyrovnat tlak mezi přední a zadní komorou oka.
  • Laserová koagulace sítnice je jedinou známou metodou léčby diabetické retinopatie, což je onemocnění oka, při kterém dochází k nekróze buněk sítnice a to v důsledku hypertenze v oční bulvě. Pacient vidí tmavé skvrny v zorném poli a jeho vidění je rozostřené. Toto onemocnění postihuje pacienty trpící hyperglykemií tj. vysokou hladinou cukru v krvi.

Lasery v chirurgii

  • Neurochirurgie je odnož chirurgie s extrémními požadavky na přesnost operačních zákroků z důvodů komplikované struktury a zranitelnosti mozku. Při operacích nádorů na mozku se používá Nd:YAG laser (1064 nm), díky efektivní koagulaci kdy zaastaví krvácení. Taktéž se používá CO2 laser (10,2 μm), jehož záření sice nemá takovou schopnost koagulace, zato je mozkovou tkání lépe absorbováno. Laserem lze řezat, koagulovat (srážet) či odpařovat tkáň bez nutnosti fyzického kontaktu s ní. Tyto přednosti snižují riziko pozdější infekce a dalších komplikací
  • V kardiochirurgii se lasery užívají při léčbě ischemické choroby srdeční, při které dochází k nedokrvení srdečního svalu, které je způsobeno ukládáním tuku do cév.

Lasery v dermatologii

  • Lasery se například používají při odstranění tetování. Interakcí záření s hmotou zvané fotodisrupce – kdy je laserový svazek zaostřen do jednoho bodu dochází ke koncentraci energie, a tím je narušení původního tetování. Tetovací inkoust pod povrchem svrchní části kůže (epidermis) se rozpadá a tetování. Odstranění barevného tetování bývá obecně více problematické, jelikož jednotlivé tetovací inkousty se rozpadají pod vlivem záření různé barvy. Odstranění se provádí výkonnými pulzními lasery Nd:YAG (1064 nm) nebo Alexandritový laser (755 nm). Průběh zákroku lze sledovat na videu níže.
  • Laserem lze taktéž působit na vyhlazování vrásek. Vrásky vznikají ztrátou elasticity pokožky opakovaným stažením mimických svalù. Přesně cílený laserový svazek odabluje (odstraňuje) tkáň v bezprostředním okolí záhybu (vrásky). Zbylé části pokožky následně srůstají bez vzniku jizev. K odstranění vrásek se používá např. erbiový laser. Další metodou laserového omlazení je tzv. rejuvenace, kdy se tepelným narušením kolagenu v kůži aktivuje proces hojení a tvorba nových, pružnějších kolagenových vláken, což vede celkově ke zvýšení elasticity pokožky a redukci vrásek.
  • Mezi další aplikace v dermatologii lze zařadit například laserovou depilaci (Alexandriový laser, 755 nm) nebo termickou nekrózu potových žláz, čímž lze značně redukovat akné. Pro tento účel se používá laserová dioda o vlnové délce 1450 nm.

Lasery ve stomatologii

Srovnání laserového vrtání do zubu s použitím různých vlnových délek.

  • Odstranění zubního kazu může být kromě klasické zubní vrtačky provedeno i přesnými lasery o vlnové délce 755 nm. K tomuto účelu se používá například erbiový laser. Závislost použité vlnové záření na povrchových změnách zubu lze sledovat na obrázku.
  • Ošetřením kořenových kanálků u zubů, u kterých došlo následkem pokročilého zuního kazu k destrukci zubní korunky se zabývá obor endodoncie. Při hermetickém uzavření zubních kanálků se zabraňuje přístupu bakterií z dutiny ústní. Následně se pomocí laserového záření redukuje počet zbytkových mikrobiálních patogenů, a to až se stoprocentní účinností.

Lasery samozřejmě nachází široké uplatnění ve vědě. V roce 2018 byla za dvě tyto realizace (Optická pinzeta a metoda generace vysokoenergetických půlzů) dokonce udělana Nobelova cena za Fyziku.

Optická pinzeta je metoda neinvazivní, bezkontaktní manipulace s drobnými částicemi, např. bakteriemi, viry či živými buňkami pomocí tlaku optického záření. Myšlenka, že i světelné záření vyvíjí tlak, byla publikována již roku 1619 Johannesem Keplerem, který tímto vysvětlil pozorování směřování ocas komet vždy směrem od Slunce. S vynálezem laseru roku 1960 bylo možné studovat tlak záření intenzivního kolimovaného světelného svazku. Průkopníkem v této oblasti byl Arthur Ashkin, který poprvé postavil optickou pinzetu roku 1970 a letos za tento vynález spoluobdržel Nobelovu cenu za fyziku.

Chirped Pulse Amplification (CPA) je metoda generace vysokoenergetických piko až femtosekundových impulzů. Krátký laserový impulz je nejprve roztažen v čase , zesílen v aktivním prostředí aniž by došlo k jeho poškození a následně zpětně zkrácen. Tuto myšlenku se poprvé podařilo zrealizovat v roce 1985 v Donně Strickland a Gérardovi Mourou. Spolu s A. Ashkinem pak za tento objev obdrželi v roce 2018 Nobelovu cenu za fyziku.

Další aplikace laserů lze samozřejmě hledat kdekoliv v našem okolí a dostali se i mimo naši planetu. Využívají se například pro měření vzdálenosti mezi Zemí a Měsícem, kde byla umístěna odrazivá zrcadla a skrze zpoždění laserového svazku lze určit jejich reálnou vzdálenost, či jako součást sond brázdících povrch Marsu pomáhají studovat složení tamních hornin.

Měření vzdálenosti Země – Měsíc pomocí laserů a zrcadel, které byly umístěny na povrch Měsíce v rámci mise Apollo 14.