Wszystko zaczęło się w maju 1960 r. od jaskrawoczerwonej kropki. W laboratorium w Malibu fizyk i inżynier elektryk dr Theodore H. Maiman eksperymentował z syntetycznym rubinem o długości kilku centymetrów umieszczonym pomiędzy lustrami. Intensywne światło ksenonowej lampy błyskowej sprawiło, że pręt świecił na różowo – fizycznie pobudzał atomy w krysztale. Impuls światła odbijał się między lustrami i przekształcał się w jaskrawoczerwony promień świetlny. Była to pierwsza w historii oficjalnie udokumentowana wiązka laserowa.

Lasery jako promienie śmierci

W swoich wspomnieniach „How the laser happened” laureat Nagrody Nobla Charles Townes (nauczyciel Theodore'a Maimana) – inny pionier technologii laserowej – opowiadał, jak wyobraźnię przedstawicieli armii pobudzał niszczycielski potencjał lasera. Mówiono o promieniach śmierci i zestrzeliwaniu rakiet w kosmosie. Jego szwagier Arthur Schawlow wzmacniał ten przekaz, demonstrując publicznie, w jaki sposób można użyć lasera do zestrzelenia balonów imprezowych.

Takie pomysły szybko doprowadziły do masowej ekspansji badań i rozwoju technologii laserowej. Liderami były Stany Zjednoczone i Związek Radziecki, ale spory wkład w rozwój laserów miały również firmy niemieckie. Armia amerykańska uważała, że laser może być „największym przełomem w dziedzinie broni od czasu bomby atomowej” i od 1960 r. wpompowała miliony dolarów w badania nad tą technologią. Szybko jednak okazało się, że głównym zastosowaniem lasera będzie szeroko pojmowania metrologia.

Wśród pierwszych dużych firm, które już w latach 60. postawiły na lasery, były Carl Zeiss z Oberkochen i VEB Carl Zeiss z Jeny. W 1962 r. w Oberkochen został uruchomiony pierwszy laser, a w 1965 r. VEB Carl Zeiss zaprezentował pierwszy model dalmierza laserowego. Już w połowie lat 60. Akademia Architektury w NRD wprowadziła lasery do ok. 20 różnych zastosowań budowlanych związanych z precyzyjnymi pomiarami.

Lasery do wiercenia w diamencie i spawania

Kolejnym ważnym krokiem było opracowanie lasera półprzewodnikowego o szczytowej mocy wyjściowej na poziomie megawatów. Chociaż nie nadawał się on do obróbki materiałów, pokazał, że lasery mogą być wykorzystywane do wielu innych celów niż tylko pomiary. Efektem dalszych prac było stworzenie urządzenia do wiercenia diamentowych płytek, które Zeiss sprzedał producentowi żarówek – firmie Osram.

Przełomowe okazało się także poszukiwanie przez firmę Carl Haas rozwiązania, za pomocą którego można było przyspawać sprężynę balansową w mechanicznych czasomierzach. Efektem było opracowanie lasera na ciele stałym nadającego się różnych zastosowań przemysłowych, który w latach 70. skutecznie zastąpił proces klejenia trwający nawet 10 razy dłużej. Pod koniec tej dekady technologia ta utorowała sobie drogę do zautomatyzowanej produkcji części spawanych do lamp katodowych w kolorowych telewizorach.

Nowe wyzwania i nowe technologie laserowe

W firmie Trumpf, która w 1992 r. przejęła Haas Laser, już od lat 60. stawiano na rozwój technologii laserowych. Jeden z jej inżynierów – Berthold Leibinger podczas swojej wizyty w Stanach Zjednoczonych, w czasie której spotkał się z licznymi producentami laserów, nabył pierwszy laser CO2, na bazie którego opracowano pierwszą maszynę do przemysłowego cięcia laserowego. Jej zaletą było dostarczanie dużej mocy wyjściowej w pracy ciągłej, podczas gdy laser na ciele stałym charakteryzował się wysoką mocą, jednak tylko w pracy pulsacyjnej. Z tego m.in. względu lasery CO2 do końca ubiegłego stulecia dominowały w procesach cięcia i spawania przemysłowego.

Lata 80. i 90. to czas, kiedy technologia laserowa szybko ewoluowała i pojawiały się jej nowe odmiany. Najistotniejsze z punktu widzenia współczesności było m.in. opracowanie lasera o ultrakrótkim impulsie, wykorzystanie technologii wzmacniaczy systemów laserowych InnoSlab czy też stworzenie koncepcji „światła dopasowanego”, która umożliwiła dostarczenie światła idealnie dostosowanego do konkretnych zastosowań.

Po początkowej euforii technologia laserowa musiała udowodnić swoją wyższość nad konwencjonalnymi procesami – także pod względem jakości i kosztów. Bardzo dobrym przykładem rywalizacji w tej materii było wytwarzanie przyrostowe. Początkowo wydawało się, że przewagę mają tu szybkie frezarki pięcioosiowe. Jednak opracowana w instytucie Fraunhofera ILT we współpracy z Katedrą Cyfrowej Produkcji Dodatkowej Uniwersytetu RWTH Aachen technologia osadzania materiału z ekstremalną szybkością lasera (EHLA) znacznie przyspieszyła proces napawania laserowego (z 2 do nawet kilkuset metrów na minutę). Wkrótce technologia EHLA trafiła do produkcji przemysłowej na całym świecie.

Dalsza ewolucja technologii laserowych

Jednym z dynamicznie rozwijanych obecnie obszarów są wykorzystywane m.in. w elektronice lasery o ultrakrótkim impulsie (piko- i nanosekundowe), które przy stosunkowo niewielkiej średniej mocy zapewniają obróbkę na zimno – bez wprowadzania ciepła do obrabianego detalu. Dzięki współpracy klastra CAPS (Klaster Zaawansowanych Źródeł Fotonów) oraz instytutów Fraunhofer IOF i Fraunhofer ILT technologia ta weszła na wyższy poziom (m.in. zwiększono moc wyjściową do 20 kilowatów) i jest coraz częściej wykorzystywana także w innych sektorach przemysłu.

Najgorętszym tematem w dziedzinie prowadzonych obecnie badań laserowych jest natomiast technologia kwantowa. Przed rokiem rząd niemiecki zapowiedział dofinansowanie badań w tej dziedzinie kwotą 600 mln euro, a kolejne 2 mld euro w kolejnych latach pochodzić ma z budżetu Covid-19. To więcej niż suma wszystkich dotychczasowych funduszy wpompowanych w technologię laserową przez naszych zachodnich sąsiadów. Już na etapie pierwszych poważniejszych zastosowań postrzegano lasery jako równie przełomową technologię jak energia atomowa. Tyle że lasery stały się częścią naszego codziennego życia. Europejska sieć badawcza Extreme Light Infrastructure (ELI) chce prowadzić badania nad syntezą jądrową wykorzystującą laser. Docelowo technologia laserowa ma posłużyć m.in. jako akcelerator cząstek, a także umożliwić stworzenie warunków porównywalnych do wnętrza gwiazd.

Technologia laserowa pokonała długą drogę w swojej 60-letniej historii i w tym czasie rozwiązała wiele problemów, które były nieznane, gdy Maiman tworzył pierwszy laser. Jednak, jak twierdzi inny wizjoner i laureat Nagrody Nobla Gérard Mourou, „najlepsze wciąż jeszcze przed nami”.

Nikolaus Fecht i Dr. Andreas Thoss