Šviesolaidiniai lazeriai žada proveržį aukštosioms technologijoms

Buvo ir kitas, atrodęs neįveikiamu, sunkumas. Dar praėjusio amžiaus 7-ojo dešimtmečio pradžioje pademonstruoti šviesolaidiniai lazeriai buvo nepraktiškos technologijos pavyzdys, nes nebuvo patikimo būdo kaip juos žadinti, t. y. elektros energiją paversti optine. Įdomu, kad nors puslaidininkiniai lazeriai ir buvo išrasti beveik tuo pačiu metu kaip ir šviesolaidiniai, bet pradžioje jie atrodė visiškai nepritaikomi praktiškai, nes buvo nepatikimi ir galėjo veikti tik labai žemose temperatūrose. Tik 8-ajame dešimtmetyje tie diodai buvo ištobulinti ir tapo plačiai naudojami – prisiminkime kompaktinių optinių diskų grotuvus, kur be tokių lazerių nebūtų galima nei užrašyti, nei nuskaityti didelio tankio optinės informacijos.

Šiuo metu tai jau seniai pereiti etapai. Pavyko gauti tokį stiklo, naudojamo šviesolaidžiuose, grynumą, kad juose sklindančią šviesą be didesnių nuostolių galima perduoti dideliais atstumais. Puslaidininkiniai lazeriai tapo patikimiausiais ir našiausiais prietaisais, verčiančiais elektros energiją į optinę ir puikiai tinkančiais šviesolaidinių lazerių kaupinimui, kur kai kuriais atvejais galima pasiekti optinius našumus, viršijančius 80 procentų. Tad kas gi šių technologijų plėtrą taip smarkiai stumtelėjo į priekį?

Devintajame dešimtmetyje buvo sukurti retųjų žemių elementais (tokių kaip erbis) legiruoti stiprintuvai. Retųjų žemių molekulės stiklo šerdyje veikia kaip lazerio aktyvus elementas. Sėkmingas sutapimas: pasirodė, kad jie dirba tame diapazone, kur šviesos spindulio sklidimo stikle nuostoliai minimalūs. Tai buvo labai svarbus veiksnys, paskatinęs atgimti susidomėjimą šviesolaidiniais lazeriais.

Lygiagrečiai buvo tiriamos ir kitos retųjų žemių medžiagos, pavyzdžiui, iterbis. Šio tipo šviesolaidiniai lazeriai dirba kiek kitoje dažnių juostoje, tai taip pat labai efektyvūs lazeriai.

Pradėjus taikyti šviesolaidinius lazerius naujose srityse

Bet štai kas paaiškėjo: didelės galios lazeriams netiko mažo skersmens šviesolaidžių šerdys, visiškai neatlaikančios didelio spinduliavimo intensyvumo. Taigi buvęs privalumas jau pasireiškė kaip esminis trūkumas.

Amžiaus pabaigoje fizikai suprato, kad norint šį šviesolaidinių lazerių trūkumą panaikinti, visai nebūtina prisirišti prie vienamodžių šerdžių. Jos pradėtos didinti, vėl tapo daugiamodės, ir jomis buvo galima perduoti didesnės galios spindulį. Teko įveikti daug technologinių sunkumų siekiant išsaugoti difrakciškai apribotą (minimalios skėsties) spindulį.

Šviesolaidinių lazerių evoliucijoje, matyt, galima išskirti du svarbiausius veiksnius: pereita prie didelio skersmens šviesolaidžio šerdžių ir patys puslaidininkiniai diodai jau buvo tiek ištobulinti, kad kaupinimo šaltiniuose buvo galima gauti daug optinės galios. Kitaip tariant, elektrinę energiją pavyko sėkmingai pakeisti į optinę. Visa tai ir padėjo atlikti revoliucinį šuolį šviesolaidinių lazerių kūrimo technologijose. Dabar jie taikomi medicinoje kai kurių operacijų metu vietoj skalpelio, o galingi – plačiai naudojami pramonėje.

Tačiau šviesolaidinių lazerių galios revoliucija prasidėjo tik gal prieš kokius ketverius metus ir tebevyksta dabar. A. Galvanausko vadovaujama tyrėjų grupė kuo aktyviausiai tuose procesuose dalyvauja, vienu metu turėjo pasiekę net galios pasaulio rekordą, jų šviesolaidinis vienamodis lazeris generavo 800 vatų. Tai jau praeitis, nes daugelio kompanijų tyrėjų grupės dalyvauja tose lenktynėse ir šiuo metu (IPG kompanija) rekordas – 3 kW vienamodis šviesolaidinis lazeris. Tokios galios technologinis lazeris pjauna kelių centimetrų storio plieno lakštą kaip peilis sviestą.

Tos lenktynės brangiai kainuoja: 1 kW kaupinimo galios kainuoja 100 tūkst. JAV dolerių, o kaupinama diodais. Pastebima, kad nors laboratorijose galima rasti 3 kW galios šviesolaidinių lazerių, bet pramonėje šiuo metu plačiausiai taikomi iki 1 kW galios technologiniai šviesolaidiniai lazeriai. Antai Volkswagen bendrovė perėjo prie lazerinio suvirinimo darbų, ir šviesolaidiniai lazeriai yra viena iš svarbiausių taikomų metalo apdorojimo technologijų, sėkmingai konkuruojanti su kieto kūno lazeriais. Spaudoje skelbta, kad naujos kartos Mercedes automobilis ištisai bus suvirintas ir išlankstytas taikant lazerines technologijas.

Atrodytų nieko naujo, nes japonai jau seniai taiko lazerines technologijas ir „protingus“ robotus automobilių gamybos pramonėje. Ir vis dėlto nauja tai, kad pradėjus taikyti modernius ir per keletą metų gerokai ištobulintus šviesolaidinius lazerius pavyko gauti daug kokybiškesnę spindulio kokybę, sumažėjo aparatūros gabaritai ir gamybos procesų kaina. Taigi visiškai tinka A. Galvanausko prisimintoji analogija tarp elektroninių vakuuminių lempų ir tranzistorių – visai kitas kokybinis lygmuo. Šviesolaidiniai lazeriai pramonėje labai sparčiai įsitvirtina tose pozicijose, kurias ligi šiol buvo užėmę kieto kūno lazeriai. Per paskutinius keletą metų jų gamyba ir pardavimas išaugo dešimtimis procentų, o kieto kūno lazerių technologinių lazerių gamyba ir pardavimas jau nedidėja.

Bus daugiau

Gediminas Zemlickas

Nuotraukoje: Dr. Almantas Galvanauskas ir dr. Vidimantas Kabelka „Mokslo Lietuvos“ redakcijoje