Лазерный мир

Проф. Майкл Шмидт, управляющий директор Баварского лазерного центра (blz)

Профессор Майкл Шмидт является управляющим директором Баварского лазерного центра (blz). Он возглавляет кафедру фотонных технологий в Университете Эрлангена, также является Президентом Научного Общества е. В. Лазерные Технологии (WLT) и имеет обширные контакты в глобальном секторе фотоники. В интервью он рассказывает о перспективах Фотоники 4.0 в секторе здравоохранения и промышленности, о потенциале аддитивного производства и использовании ультракоротких импульсных лазеров в обработке материалов и биомедицинских приложениях.

Проф. Шмидт, что означает Фотоника 4.0 для вас?
Чтобы ответить на этот вопрос, я должен отвлечься и рассказать о Industry 4.0 — тенденции к интеллектуальным, самонастраивающимся технологическим цепочкам, в которых подключенные машины распознают детали и проводят их индивидуально через производственный процесс. При этом осуществляется мониторинг состояния и процессов с использованием методов больших данных (big data). Эти представления из мира ИТ и возможны они только в ограниченной степени с применением современной технологии формообразования или соединения. Напротив, Photonics 4.0 достаточно гибкая система. Вы просто перепрограммируете лазер, и затем производит следующий продукт. Производство благодаря свету является ключевым для Индустрии 4.0. В конце концов, свет может использоваться не только для обработки изображений, но также для измерения, обнаружения и собственно реализации производства. Данные измерений, датчиков и изображений необходимы в Индустрии 4.0 для контроля процессов и контроля состояния машины. И в медицине оптические методы и процессы визуализации помогают постоянно улучшать диагностические и терапевтические возможности. Фотоника 4.0 — это интеллектуальное сочетание оптических технологий и интеллектуального программного обеспечения.

В будущем будет ли связь между фотонными технологиями на основе программного обеспечения более важной, чем новые разработки в области оборудования?
Нет, определенно нет. Нам нужны обе технологии. Манипулирование деталью или кожей с помощью света ни в коем случае не исчерпывает всех возможностей света. Хорошим примером являются ультракороткие импульсные лазеры. Они начали расти с середины 2000-х годов, потому что они позволяют «холодную» обработку материалов. Будут также дальнейшие разработки, такие как использование поляризации света для обеспечения более точной лазерной обработки материала. Или интеллектуальное управление ультракороткими импульсными лазерами, чтобы влиять на последовательность длин волн и, следовательно, на процесс обработки материала в целом. Я всегда говорю, что в области лазерной техники мы до сих пор в основном использовали метод кувалды. Только сейчас мы постепенно начинаем использовать скальпель. Однако интеллектуальная связь между новым и существующим оборудованием также становится все более важной — для обеспечения использования оптических процессов на основе данных.

Увеличивается число медицинских процедур с визуализацией. Сегодня врачам трудно выбрать правильную процедуру и интерпретировать изображения. Может ли Фотоника 4.0 решить эту дилемму?
Когда дело доходит до оптических процедур, мы все лучше и лучше объединяем геометрическую и функциональную визуализацию, что является положительным началом. OCT (ОКТ, оптический когерентный томограф) обеспечивает очень точную информацию о геометрическом составе тканей глаза. В сочетании с двухфотонными процессами или спектроскопией накачки-зондирования в будущем существует возможность одновременно исследовать функцию этих тканей, что дает гораздо более точную информацию о проблемах в теле пациента. Было бы идеально, если бы у нас были общие базы данных, в которых все изображения всех пациентов во всем мире хранятся анонимно. Затем мы могли бы использовать методы больших данных и глубокие подходы к обучению, чтобы узнать, как отличить патологические изменения тканей от тех, которые являются доброкачественными, на автоматизированной основе …

… даже анонимные данные изображения — это неприемлемо для соображений конфиденциальности данных. Необходимы ли изменения в законодательстве для обеспечения необходимой базы данных для учебных систем?
Мы должны обходиться с альтернативами. Достаточно было бы хранить определенные экстракты, показывающие патологические функции, а не целые изображения в такой базе данных. Тем не менее, мы должны сначала знать, что именно мы ищем. В будущем мы, возможно, будем чаще использовать больше методов скрининга сразу для пациентов при обследовании. Преимуществом этой мультимодальной визуализации было бы то, что нам нужно было бы чаще посещать врача, и для каждого пациента была бы база данных, которая может использоваться для сравнения будущих изображений и выявления аномалий с помощью алгоритмов.

Ваши компании, blz и WLT, участвуют в продвижении технологии аддитивного производства. Какой потенциал предлагают технологии 3D-печати для лазерной промышленности?
Они обладают огромным потенциалом, особенно когда речь идет об аддитивных технологических процессов в области металлов. Технологические процессы с электронным лучом все еще быстрее, и на микроструктуры компонентов можно влиять более точно. Однако лазерные процедуры все еще находятся в периоде становления. До сегодняшнего день зеркала сканаторов были слабым местом, так как они ограничивают скорость обработки до нескольких сотен метров в секунду. Исследование альтернатив идет полным ходом. Мы уже придумали способы безмассового отклонения лазерного луча с помощью света или формирования луча в целом. Последний вариант требует новых, очень высокопроизводительных лазеров, которые облучают весь слой порошка сразу с помощью подходящей программируемой маски. Детали по-прежнему будут печатать слой за слоем, но с использованием «лазерной вспышки» с высокой энергией на слой вместо «танцующих лазерных лучей». Мы также можем видеть комбинации различных длин волн. Новые возможности могут возникнуть в области высокопроизводительных прямых диодных лазеров или квантово-каскадных лазеров. И, естественно, есть также значительные возможности для улучшения, когда дело доходит до процесса управления.

Наряду с Фотоникой 4.0 и 3D-печатью также предлагаются ультракороткие импульсные лазеры. Каковы, на ваш взгляд, наиболее важные области применения ультракоротких импульсных лазеров?
Ключевыми преимуществами являются возможность очень точной «холодной» обработки и целенаправленной обработки прозрачных сред, поскольку я могу гочень локально генерировать плазму, которая поглощает энергию при движении электронов. Это полезно в хирургии глаза и уже широко распространено, при использовании фемтосекундных и, все чаще, УФ-фемтосекундных лазеров. Для крупных промышленных применений пока недостаточно систем с умеренной выходной мощностью в киловаттном диапазоне, чтобы увеличить мощность на импульс. Чтобы убедиться, что это не приводит к нежелательному нагреванию, нам нужны новые идеи для отклонения луча или формирования профиля луча, как это имеет место в аддитивном производстве. Это позволило бы нам использовать ультракороткие импульсные лазеры для обработки больших площадей одновременно «холодно» и на мегагерцовых уровнях. У нас уже есть подходящие подходы и идеи, но для достижения достаточного прогресса на макро уровне еще потребуется несколько лет. Подводя итог, нам нужны новые способы эффективно и быстро перемещать свет во всех областях — идеально при использовании безмассовых методов. Это было бы настоящим прорывом и, как всегда, когда имеешь дело со светом, могло бы иметь эффект в обоих направлениях — не только для обработки, но и для систем обработки изображений и измерительных сенсорных систем.

Перевод: https://world-of-photonics.com/about/industry-topics/photonics-interview/2018/prof-michael-schmidt/index.html