Lietuvos ir Taivano mokslininkai pasiekė pirmąją „pergalę“ bendradarbiaujant: 2022 m. rudenį Taivano nacionalinis Sun Yat-sen universitetas (NSYSU) pademonstravo pirmąjį jų šalyje sukurtą didelės-vidutinės galios plonojo disko lazerio prototipą, prie kurio atsiradimo daug prisidėjo ir mūsų šalies specialistai.

Plonojo disko lazerio Yb:YAG (iterbiu legiruotas itrio aliuminio granatas) kristalą universitetas užsiaugino pats. Kristalai vėliau supjaustyti, poliruoti ir padengti reikiamomis dielektrinėmis dangomis Lietuvos lazerių įmonėje. Optinės kristalų charakteristikos išmatuotos Fizinių ir technologijos mokslų centre (FTMC), o Lazerinių technologijų skyriaus mokslo darbuotojas dr. Paulius Mackonis ilgalaikio vizito Taivane metu dalijosi sukaupta patirtimi kuriant vadinamuosius kieto kūno lazerius.

Plonojo disko lazeryje svarbiausias technologijos išskirtinumas yra stiprinimo terpės geometrija: lazerio kristalas – diskas (plonytė išpjauta plokštelė), kurio storis įprastai yra nuo 150 iki 200 mikrometrų (tūkstantosios milimetro dalies!). Didelis paviršiaus plotas (lyginant su tūriu) užtikrina greitą vienpusį šilumos pašalinmą iš kristalo, kas leidžia pasiekti didelės galios (daugiau nei 500 vatų) šviesos impulsus.

(Taivano ir lietuvių mokslininkų kuriamo plonojo disko lazerio prototipas. FTMC nuotrauka)

„Tai leistų greičiau, efektyviau ir našiau dirbti medžiagų apdirbime, elektronikos komponentų, kristalų pjaustyme ir pan. Ši technologija atveria naujas lazerių gamybos ir taikymo galimybes. Daug kas priklauso nuo to, kas su ja dirba ir kokios technologijos yra aplink lazerį. Tarkim, optiniai kompenentai dažniausiai neatlaiko didelių galių ar impulso energijų, bet jie irgi tobulėja.

Viskas yra tartum užburtas ratas. Nėra taip, kad išpjausiu kristalą, ir lazeris savaime veiks geriau. Yra daugybė dalykų, nuo kurių priklauso jo veikimas. Taigi ir šios technologijos ribos iš principo visapusiškai priklauso nuo to kaip greit vystosi visa industrija.

Tačiau be abejo, plonojo disko lazerio sukūrimas Taivanui jau yra didelis žingsnis į priekį“, – sako dr. Paulius Mackonis.

(Dr. Mitch Ming Chi-Chou. Crystal.nsysu.edu.tw nuotrauka)

„Šis projektas yra labai sėkmingas ir yra geras tarptautinio bendradarbiavimo (apimančio akademinę ir pramoninę bendruomenę) tarp Taivano ir Lietuvos pavyzdys“, – įsitikinęs NSYSU universiteto viceprezidentas ir Kristalų tyrimų centro direktorius dr. Mitch Ming Chi-Chou. Pasak mokslininko, plonojo disko lazeris labai pravers pramonėje:

„Monokristalai yra viena iš svarbiausių medžiagų grupių dėl savo vienodos ir labai tvarkingos struktūros, leidžiančios jiems pasižymėti išskirtinėmis savybėmis. Todėl kristalai visada buvo laikomi svarbia strategine mūsų šalies medžiaga. Atsižvelgiant į tai, Nacionalinio Sun Yat-sen universiteto Kristalų tyrimų centras (CCR) atlieka pagrindinį vaidmenį kuriant naujas kristalines medžiagas ir augimo technologijas.

Per pastaruosius dešimt metų CCR dėjo daug pastangų, kad sukurtų Yb:YAG lazerio kristalą didelės galios plonojo disko lazeriui. Jis tapo perspektyviu šviesos šaltiniu, skirtu tokioms sritims kaip naujos kartos puslaidininkių pjaustymas ar suvirinimas. Taip yra dėl to, kad toks lazeris veikia dideliu pasikartojimo dažniu. Ateityje plonojo disko lazeris su vidutine išėjimo 50 W galia bus siekiamybė.“

(Dr. Paulius Mackonis ir dokt. Augustinas Petrulėnas prie jų kuriamos lazerinės sistemos TERRA. FTMC nuotrauka)

Plonytis daiktas – didelė nauda

Kaip veikia plonojo disko lazeris? Kad lengviau įsivaizduotume, nusikelkime į FTMC Lazerinių technologijų skyriaus Kieto kūno lazerių laboratoriją. Joje dr. Paulius Mackonis kartu su doktorantu Augustinu Petrulėnu kuria lazerinę sistemą TERRA – kurios kaupinimui naudojamas jų sukurtas kieto kūno lazeris, paremtas technologija panašia į tą, kurią šiuo metu vysto NSYSU.

Ant optinio stalo pritvirtinti įvairūs komponentai – lęšiai, veidrodžiai, laidai, elektronika ir t. t. Matome ir rudą varinį šilumokaitį – „patalpą“, kurioje įdėtas 2 cm ilgio, stačiakampio gretasienio formos kristaliukas. Jo „užduotis“ – kaupti infraraudonąją šviesą, kuri į kristalą sklinda iš šono.

Kaupdamas šviesą kristalas pradeda ir savaime šviesti (lazeriuoti), o galiausiai (kartu su kitais komponentais) ją padaro žymiai galingesnę – ir „iššauna“ lazerinis impulsas. Paties lazerio šviesa yra infraraudonoji, tad plika akimi nematoma. Tačiau tos šviesos taškelį galime pamatyti, pavyzdžiui, naudodamiesi infraraudonųjų spindulių žiūronais.

(FTMC Kieto kūno lazerių laboratorijoje esanti lazerinė sistema TERRA: rudame šilumokaityje švyti įkaitintas kristalas. Plika akimi matote žalią jo skleidžiamą šviesą, tuo metu išmaniojo telefono kamera rodo „tikrąją“ spalvą. FTMC nuotrauka)

Kuo skiriasi FTMC ir NSYSU lazerių versijos? Būtent kristalo storiu. Jei čia aprašomas kristalo strypas, tai Taivano mokslininkai išbandė lazerį, kuriame įtaisytas plonytis to strypelio „griežinėlis“ –  o jis ir vadinamas plonuoju disku. Tiesa, ant jo dar reikia uždengti reikiamas dangas ir pritvirtinti prie šilumokaičio.

„Tuomet prasideda gilesnis mokslas, kaip jį tinkamai pritvirtini prie šilumokaičio, kaip užtikrinti gerą terminį kontaktą, kaip išvengti kristalo skilimo dėl deformacijų ir pan. Tačiau viską tinkamai realizavus plonasis diskas leidžia pasiekti gerokai didesnes šviesos impulso galias.

Pirmieji sukurti diskiniai lazeriai (nuo 1994 m), iš pradžių spinduliavo vos kelių vatų galią, vėliau – kelių šimtų vatų, o šiandien jau nespėji sekti tų skaičių. Kartais pasiekiami keli ar net keliasdešimt kilovatų. Su tokiais lazeriais jau galima metalą pjaustyti kaip sviestą“, – pastebi P. Mackonis.

(Į specialų indą įdėtas 2 cm ilgio Yb:YAG (iterbiu legiruotas itrio aliuminio granato) kristalas, reikalingas kieto kūno lazeriams kurti. NSYSU universitetui išpjautas plonytis tokio kristalo „griežinėlis“. FTMC nuotrauka)

Kristalą – tiek 2 cm, tiek „griežinėlį“ – būtina vėsinti. Todėl prie jo „namelio“, varinio šilumokaičio, yra prijungti du mėlyni vamzdeliai, kuriais teka vanduo, ir šitaip kristalas ataušinamas. Jei to nebūtų, jis tiesiog susprogtų, gaudamas stiprią nenutrūkstamos šviesos dozę! Tokio vėsinimo reikia ir dėl to, kad nesusidarytų nepageidaujami termooptiniai reiškiniai. Čia vėl geresnius šansus turi plonojo disko lazeris.

„Jo privalumas – didelis paviršiaus ir tūrio santykis. Taigi paviršiumi galima labai efektyviai pašalinti šilumą, besikaupiančią kristale. Kitu atveju (kuo įsitikinome tiek mes, tiek taivaniečiai), kuriant šimtų vatų, didelio impulsų pasikartojimo dažnio lazerius, to nepadarius prastėja lazerio efektyvumas, pluošto kokybė ir pan. Kita vertus, dėl mechaninių įtempimų, sąlygotų didelio šilumos kieko lazeriniame elemente, kristalas galiausiai gali suirti“, – sako mokslininkas.

(FTMC ir NSYSU mokslininkų susitikimas. FTMC delegacija iš kairės: dr. Paulius Mackonis, dr. Mindaugas Kamarauskas ir dr. Vytautas Jakštas. FTMC nuotrauka)

Sudėtinga sistema

Plonasis diskas yra lazerio „šerdis“, bet tai toli gražu ne viskas. Vien išpjovus kristalą jis lazeriuoti nepradės, reikia daugybės optikos bei elektronikos komponentų, kad lazeris šviestų – ir šviestų taip, kaip konkrečiu atveju norima. Todėl dr. Paulius Mackonis 2023 m. vasarį lankėsi NSYSU universitete ir savo žiniomis bei patirtimi Taivano mokslininkams padėjo geriau suprasti sudėtingą sistemą.

„Jie dabar atlieka tyrimus, kaip geriau pritvirtinti kristalus prie tam tikro metalo. Galima tam panaudoti papildomas tarpines medžiagas, pavyzdžiui, deimantą, kuris pasižymi ypač dideliu šilumos laidumu.

O kitas klausimas – kaip priversti lazerį šviesti, kai plonasis diskas jau pritvirtintas? Čia prasideda daugybė visokių niuansų ir problemų. Mano vizito tikslas ir buvo padėti lazerio dizaino srityje: kaip įvertinti tam tikrus parametrus ir spręsti kilusias problemas.

Kadangi savo laboratorijoje FTMC naudojame tą patį kristalą ir jau nemažai metų dirbame su panašiais lazeriais, Taivano mokslininkams buvo naudinga apie tai šiek tiek išgirsti iš eksperimentinės pusės. Nes straipsniuose, teorijoje viskas atrodo per daug gražu ir paprasta.

Manau, kad NSYSU gerokai pasistūmės į priekį ir pasieks savo tikslus“, – dalijasi P. Mackonis.

(Lietuvos lazerių asociacijos prezidentas, FTMC Lazerinių technologijų skyriaus vadovas dr. Gediminas Račiukaitis lankosi NSYSU universitete Taivane. Nsysu.edu.tw nuotrauka)

Laukia daug darbo

Pasak P. Mackonio, plonojo disko lazeriai turi didžiulį potencialą, bet šią technologiją įvaldyti nėra lengva. O įmonės, kurios moka tai daryti, žinoma, nesidalija savo paslaptimis. Pavyzdžiui, vokiečių kompanija „Trumpf“ jau seniai gamina plonuosius diskus, jų galima įsigyti – tačiau, anot P. Mackonio, jie labai brangūs.

„Yra daug mokslinių grupių, kurios bandė tai daryti. Kai kurioms pavyko geriau, kitoms vidury kelio galbūt tiesiog baigėsi motyvacija, – pasakoja pašnekovas. – Lazerio kūryba yra procesas, kuris neturi vienareikšmės instrukcijos, kaip tai padaryti. Susiduri su daug problemų ir duobių.

Taivaniečiai yra gerame kelyje, jie jau nemažai nuveikė. Žinoma, kaip ir dauguma susiduria su problemomis, bet viskas išsprendžiama.

Be to, net kai pavyks sukurti norimos galios lazerį, jį toliau reikėtų tobulinti. Visada gerai šalia vieno išdirbto prototipo lygiagrečiai jau kurti „geresnę“ versiją. Lazerinėse technologijose taip jau yra, negali stovėti vietoje.“

(Dr. Paulius Mackonis. FTMC nuotrauka)

Taigi, Taivano ir Lietuvos mokslinis bendradarbiavimas tęsis toliau. FTMC su NSYSU Kristalų tyrimo centru 2021 metų rudenį pasirašė tarpusavio bendradarbiavimo memorandumą (angl. Memorandum of Understanding) dėl mokslinių bei technologinių sinergijų medžiagų mokslo bei medžiagų inžinerijos srityse, kieto kūno fizikos ir technologijos, optoelektronikos ir elektros inžinerijos temose.

2022 m. pradžioje NSYSU universitetas ir FTMC kartu įsteigė Taivano ir Lietuvos puslaidininkių ir medžiagų mokslo centrą, kuris įsikūręs FTMC pastate. Šia iniciatyva siekiama vystyti bei stiprinti naujos kartos puslaidininkines medžiagas ir lazerines technologijas ne vien mokslo, bet ir pramonės lygmenyje.

Parengė Simonas Bendžius

(Viršuje dešinėje: Taivano ir lietuvių mokslininkų kuriamo plonojo disko lazerio prototipas. Nsysu.edu.tw nuotrauka)