Лаборатория L5 „Оптични мехатронни технологии"
Секция S1 „Лазерни технологии"
доц. д-р Тодор Петров (ТУ - София, ФПМИ)
За лабораторията
Секцията се занимава с изследването на процесите на взаимодействие на лазерното лъчение с веществата и с
разработката на разнообразни микро- и нанотехнологии, базирани на тези взаимодействия. Тeзи дейности са
свързани с решаване както на чисто научни проблеми на фундаменталната наука, така и на практически проблеми,
насочени към индустриални приложения. Потенциални партньори и клиенти на лабораторията могат да бъдат както
изследователски колективи в страната и чужбина със сходни научни интереси, така и индустриални потребители -
ползватели на разработените технологии.
Дейности
Основната дейност на секцията е изследователската. Изследват се взаимодействията на лазерното лъчение с
различни материали – метали, диелектрици, полупроводници и биологични тъкани. Изследва се влиянието на
режимите на обработка и параметрите на лазера върху крайният резултат от процесите и т.н.
По-конкретно, основните насоки на провежданата изследователска дейност са:
- Експериментално и теоретично изследване на повърхностните взаимодействия на лъчението с
веществата и промяната на морфологията на повърхностите, както и на техните адхезионни, трибологични
и оптични свойства.
- Експериментално и теоретично изследване на лазерната аблация на различни вещества и
зависимостта ѝ от параметрите на лазера (продължителност на импулса и дължина на вълната) и режимите
на обработка.
- Експериментално и теоретично изследване на възможностите за контролирана промяна на
агрегатното състояние, структурата и физикохимичните свойства на веществата в области с микро- и
наноразмери.
- Експериментално и теоретично изследване на нелинейните ефекти и реакции при взаимодействие
на материята с лазерното лъчение
Втората важна насока в дейността на секцията е разработката на нови лазерни технологии или адаптиране
на съществуващи такива за специфични цели на базата на получените изследователски резултати. В тази
насока основните дейности са:
- Разработка на технологии за монохромно и цветно маркиране на различни материали чрез лазерно
отгряване, лазерна аблация или лазерно бондиране на материали.
- Разработка на лазерни технологии за контролирана промяна на адхезионните, трибологични и
оптични свойства на различни повърхности.
- Разработка на технологии за прецизно лазерно микрорязане на материали.
- Разработка на технологии за 3D лазерно скулптиране чрез контролирана аблация на
материала.
- Разработка на технологии за лазерно микрозаваряване на разнородни материали.
- Разработване на технология за структуриране на дентална тъкан, синтетични материали на
основата на хидроксиапатит и титаниеви импланти със субпикосекунден импулсен лазер (изменение на
физико-химичните свойства на материалите).
- Разработване на технология за лазерно стимулиране на растежа на синтетични биоматериали на
основата на хидроксиапатит с наносекундни лазери;
- Разработване на технология за щадящо ин-витро почистване на кариозна тъкан и подготвяне на
зъбната кухина за пломбиране със субпикосекундни лазери, с цел замяна на традиционните
стоматологични борчета.
И третата важна насока на дейността е контрол и оптимизация на резултатите от изследванията и
разработките с оглед на техните бъдещи практически приложения. Конкретната реализация на тази дейност се
извършва чрез:
- Прецизни оптични измервания на експерименталните образци.
- Компютърно моделиране и оптимизация на физичните процеси с оглед получаването на един или друг
краен резултат.
Услуги
На базата на горните дейности секцията би могла да предоставя следните услуги на други изследователски звена или на фирми от индустрията:
- Лазерно маркиране (вкл. цветно) на различни обекти и детайли.
- Лазерно структуриране на метализирани повърхности (например за производството на печатни платки).
- 3D лазерно скулптиране (например за изработката на щампи).
- Лазерно микрорязане на тънки материали за производството на микрофилтри, маски за електрониката и др.
- Лазерно микрозаваряване на разнородни материали.
- Лазерно микро- и наноструктуриране на синтетични биоматериали и дентална тъкан.
- Целенасочена промяна на физико-химични свойства на биоматериали и дентална тъкан- обработка на дентин и/или емаил със събпикосекундни импулси
- Физико-химично охарактеризиране на синтетични биоматериали и дентална тъкан
- Оптичен контрол на качеството за обработките;
Оборудване
Основното оборудване, чрез което се извършват горните дейности се състои от специализирани лазерни системи, в които лазери от различен тип са комбинирани с компютърно управляеми електро-механични системи. Тези лазерни системи представляват прецизни оптомехатронни устройства за обработка на материали.
Наличните лазерни системи в секцията са:
- Лазерна система, базирана на непрекъснат СО2 лазер (дължина на вълната 10.6 μm) със средна мощност 80 W.
- Лазер с пари на Меден Бромид, генериращ във видимият диапазон λ = 510.6 nm и 578.4 nm, със средна изходна мощност до 50W
- Влакнест лазер генериращ 300 fs импулси при λ = 1.06 μm, с максимална енергия в импулса 2.2 µJ, честоти на повторение 200 kHz и 500 kHz, и M2~1.2.
- Лазерна система, базирана на наносекунден МОРА влакнест лазер (λ = 1.064 μm) със средна мощност 70 W и продължителност на импулса регулируема в диапазона 10 – 500 ns.
- Индустриална лазерна система, базирана на МОРА твърдотелен лазер (λ = 1.03μm) със средна мощност 10 W, M2~1.3 и свръхкъси лазерни импулси, чиято продължителност може да се регулира в диапазона от 0.18 – 10 ps. Честоти на повторение на импулсите 1 kHz – 200 kHz. Възможност за генериране на единични импулси с максимална енергия ≥ 0.4 mJ.
- Необходима вакуумна апаратура за моделиране условията на взаимодействия. Възможност за обработки при -1500C.
Много съществена особеност на горното оборудване е, че то дава възможност за изследвания и разработка на технологии при максимално широк диапазон от продължителности на лазерните импулси (от непрекъснат режим до мили-, микро-, нано-, пико- и фемтосекундни импулси ) при различни дължини на вълната.
Оптичният контрол и измерване на образците се осъществява чрез:
- 3D конфокален микроскоп с латерална разделителна способност ~150 nm и вертикална 5 nm.
- Конвенционален оптичен микроскоп, екипиран с цифрова камера и разделителна способност 5 μm.
Компютърното моделиране на физичните процеси се осъществява чрез специализираният софтуер COMSOL 5.5.
За лабораторията
Секцията се занимава с изследването на процесите на взаимодействие на лазерното лъчение с веществата и с разработката на разнообразни микро- и нанотехнологии, базирани на тези взаимодействия. Тeзи дейности са свързани с решаване както на чисто научни проблеми на фундаменталната наука, така и на практически проблеми, насочени към индустриални приложения. Потенциални партньори и клиенти на лабораторията могат да бъдат както изследователски колективи в страната и чужбина със сходни научни интереси, така и индустриални потребители - ползватели на разработените технологии.
Дейности
Основната дейност на секцията е изследователската. Изследват се взаимодействията на лазерното лъчение с различни материали – метали, диелектрици, полупроводници и биологични тъкани. Изследва се влиянието на режимите на обработка и параметрите на лазера върху крайният резултат от процесите и т.н.
По-конкретно, основните насоки на провежданата изследователска дейност са:
- Експериментално и теоретично изследване на повърхностните взаимодействия на лъчението с веществата и промяната на морфологията на повърхностите, както и на техните адхезионни, трибологични и оптични свойства.
- Експериментално и теоретично изследване на лазерната аблация на различни вещества и зависимостта ѝ от параметрите на лазера (продължителност на импулса и дължина на вълната) и режимите на обработка.
- Експериментално и теоретично изследване на възможностите за контролирана промяна на агрегатното състояние, структурата и физикохимичните свойства на веществата в области с микро- и наноразмери.
- Експериментално и теоретично изследване на нелинейните ефекти и реакции при взаимодействие на материята с лазерното лъчение
Втората важна насока в дейността на секцията е разработката на нови лазерни технологии или адаптиране на съществуващи такива за специфични цели на базата на получените изследователски резултати. В тази насока основните дейности са:
- Разработка на технологии за монохромно и цветно маркиране на различни материали чрез лазерно отгряване, лазерна аблация или лазерно бондиране на материали.
- Разработка на лазерни технологии за контролирана промяна на адхезионните, трибологични и оптични свойства на различни повърхности.
- Разработка на технологии за прецизно лазерно микрорязане на материали.
- Разработка на технологии за 3D лазерно скулптиране чрез контролирана аблация на материала.
- Разработка на технологии за лазерно микрозаваряване на разнородни материали.
- Разработване на технология за структуриране на дентална тъкан, синтетични материали на основата на хидроксиапатит и титаниеви импланти със субпикосекунден импулсен лазер (изменение на физико-химичните свойства на материалите).
- Разработване на технология за лазерно стимулиране на растежа на синтетични биоматериали на основата на хидроксиапатит с наносекундни лазери;
- Разработване на технология за щадящо ин-витро почистване на кариозна тъкан и подготвяне на зъбната кухина за пломбиране със субпикосекундни лазери, с цел замяна на традиционните стоматологични борчета.
И третата важна насока на дейността е контрол и оптимизация на резултатите от изследванията и разработките с оглед на техните бъдещи практически приложения. Конкретната реализация на тази дейност се извършва чрез:
- Прецизни оптични измервания на експерименталните образци.
- Компютърно моделиране и оптимизация на физичните процеси с оглед получаването на един или друг краен резултат.
Услуги
На базата на горните дейности секцията би могла да предоставя следните услуги на други изследователски звена или на фирми от индустрията:
- Лазерно маркиране (вкл. цветно) на различни обекти и детайли.
- Лазерно структуриране на метализирани повърхности (например за производството на печатни платки).
- 3D лазерно скулптиране (например за изработката на щампи).
- Лазерно микрорязане на тънки материали за производството на микрофилтри, маски за електрониката и др.
- Лазерно микрозаваряване на разнородни материали.
- Лазерно микро- и наноструктуриране на синтетични биоматериали и дентална тъкан.
- Целенасочена промяна на физико-химични свойства на биоматериали и дентална тъкан- обработка на дентин и/или емаил със събпикосекундни импулси
- Физико-химично охарактеризиране на синтетични биоматериали и дентална тъкан
- Оптичен контрол на качеството за обработките;
Оборудване
Основното оборудване, чрез което се извършват горните дейности се състои от специализирани лазерни системи, в които лазери от различен тип са комбинирани с компютърно управляеми електро-механични системи. Тези лазерни системи представляват прецизни оптомехатронни устройства за обработка на материали.
Наличните лазерни системи в секцията са:
- Лазерна система, базирана на непрекъснат СО2 лазер (дължина на вълната 10.6 μm) със средна мощност 80 W.
- Лазер с пари на Меден Бромид, генериращ във видимият диапазон λ = 510.6 nm и 578.4 nm, със средна изходна мощност до 50W
- Влакнест лазер генериращ 300 fs импулси при λ = 1.06 μm, с максимална енергия в импулса 2.2 µJ, честоти на повторение 200 kHz и 500 kHz, и M2~1.2.
- Лазерна система, базирана на наносекунден МОРА влакнест лазер (λ = 1.064 μm) със средна мощност 70 W и продължителност на импулса регулируема в диапазона 10 – 500 ns.
- Индустриална лазерна система, базирана на МОРА твърдотелен лазер (λ = 1.03μm) със средна мощност 10 W, M2~1.3 и свръхкъси лазерни импулси, чиято продължителност може да се регулира в диапазона от 0.18 – 10 ps. Честоти на повторение на импулсите 1 kHz – 200 kHz. Възможност за генериране на единични импулси с максимална енергия ≥ 0.4 mJ.
- Необходима вакуумна апаратура за моделиране условията на взаимодействия. Възможност за обработки при -1500C.
Много съществена особеност на горното оборудване е, че то дава възможност за изследвания и разработка на технологии при максимално широк диапазон от продължителности на лазерните импулси (от непрекъснат режим до мили-, микро-, нано-, пико- и фемтосекундни импулси ) при различни дължини на вълната.
Оптичният контрол и измерване на образците се осъществява чрез:
- 3D конфокален микроскоп с латерална разделителна способност ~150 nm и вертикална 5 nm.
- Конвенционален оптичен микроскоп, екипиран с цифрова камера и разделителна способност 5 μm.
Компютърното моделиране на физичните процеси се осъществява чрез специализираният софтуер COMSOL 5.5.