Lietuva – pasaulyje gerai žinoma kaip lazerių gamintoja. Norint juos pritaikyti pramoniniuose įrengimuose (pjaustymui, virinimui, skenavimui ir pan.) reikia itin tiksliai valdyti lazerio spindulio kryptį. Šiam tikslui Vilniaus Gedimino technikos universiteto (VGTU) ir Kauno technologijos universiteto (KTU) mokslininkų grupė sukūrė unikalius lazerio spindulio valdymo įrenginius panaudodami pjezoelektrines sistemas, kurios gali pakeisti šiuo metu naudojamas elektromechanines pavaras ir praplėsti lazerių panaudojimo galimybes.
„Pagrindiniai parametrai, nulemiantys lazerio spindulio reflektoriaus/deflektoriaus kokybę, yra greitas veikimas, laisvės laipsnių skaičius ir erdvinė skyra t. y. mažiausias posūkio kampas, kurį galima atlikti. Šie parametrai ypač aktualūs nanotechnologijose, kur, pavyzdžiui, tiksliai pozicionavus impulsinio lazerio spindulį paveikiama medžiagos atominė struktūra ir taip sukuriamos naujos medžiagų savybės – vandenį sugerianti medžiaga tampa vandeniui atsparia medžiaga ar pan., – pasakojo projekto vadovas, VGTU Informacinių sistemų katedros vedėjas prof. dr. Dalius Mažeika. Pasak jo, nuo lazerio spindulio valdymo priklauso ir matavimo bei technologinių įrengimų funkcinės galimybės, jų charakteristikos.
Dviejų universitetų mokslininkų kolektyvui, kurį sudarė prof. D. Mažeika ir prof. G. Kulvietis iš VGTU bei prof. R. Bansevičius, prof. V. Jūrėnas ir doktorantas V. Bakanauskas iš KTU, pavyko sukurti mažų gabaritų, aukštos skyros 2D skaitytuvą-deflektorių ir unikalų vos kelių milimetrų lazerio deflektorių spausdintoje plokštėje. Šiais miniatiūriniais įtaisais galima efektyviai valdyti lazerio spindulį erdvėje, o tai labai praplečia lazerių panaudojimo funkcines galimybes. Šie mokslininkų atradimai – Lietuvos mokslo tarybos finansuojamo projekto „Didelės skyros pjezoelektrinės lazerio spindulio valdymo erdvėje sistemos sukūrimas ir tyrimas (PiezoDeflect, MIP 045/2014)“ rezultatas.
„Pastaruoju metu ypatingas dėmesys skiriamas skaiduliniams ir lazeriniais diodais kaupinamiems kietojo kūno lazeriams. Pigūs lazerinių sistemų sprendimai atveria naujas lazerių taikymo galimybes hematologijoje, DNR tyrimuose, mikroskopijoje. Tokie lazeriai gali atlikti daug technologinių operacijų gaminant integrines schemas, spausdinto montažo plokštes ar plokščiuosius ekranus“, – akcentavo D. Mažeika.
Projekto vykdymo metu buvo sukurti kelių modifkacijų itin didelės skyros vieno ir dviejų laisvumo laipsnių deflektorių prototipai, apimantys platų veidrodžio gabaritų diapazoną, taip pat lazerio reflektoriai/skaitytuvai nano ir pikopalydovams.
Vykdant projektą taip pat buvo siekiama, kad sukurtų deflektorių kaina būtų mažesnė, nes rinkoje egzistuoja gaminių grupės, kur produkto kaina yra pagrindinis veiksnys. Mokslininkų grupei pavyko sukurti nebrangius vieno ir dviejų laisvumo laipsnių deflektorius/skaitytuvus, kainuojančius vos 1 eurą. Tokius deflektorius galima naudoti paprastuose plataus vartojimo įtaisuose, kuriuose valdoma lazerio spindulio kryptis.
Reikia pažymėti, kad lazerio deflektoriai yra sudėtinga mechatroninė sistema, kurią sudaro mechaniniai mazgai, pjezopavaros, elektroninės valdymo ir informacinės sistemos, todėl projekto vykdymo metu buvo sukurti teoriniai dinaminių sistemų modeliai, atlikti jų tyrimai, optimizuoti deflektorių parametrai, sukurti deflektorių valdymo algoritmai. Taip pat buvo suformuluota, ištirta ir realizuota aktyvios kinematinės poros su daugeliu laisvės laipsnių koncepcija bei sukurta apibendrinta III klasės aktyvios kinematinės poros su pjezoelektriniais keitikliais teorija, atliktas matematinis modeliavimas bei išsamūs eksperimentai. Projekto metu taip pat buvo sukurtas naujas ultragarsinių virpesių koncentratorių tipas t.y. „bėgančios bangos virpesių bangolaidis“, kuris panaudotas greitaeigiam pjezoelektriniam deflektoriui sukurti.
Deflektoriams dirbant ekstremaliomis sąlygomis (didelė vibracija, temperatūros pokyčiai, perkrovimai, aplinkos užterštumas) svarbu užtikrinti jų patikimumą, nes išorinai veiksniai įtakoja deflektorių virpesių amplitudes, todėl jie praranda savo funkcionalumą. Projekto vykdymo metu buvo atliekami tyrimai susiję su deflektorių savidiagnostika bei saviremontu. Sistemų savidiagnostikai sukurtas algoritmas, kuris realizuojamas panaudojant tiesioginį pjezoelektrinį efektą. Apdorojus gautą signalą ir nustačius sistemos gedimą, pjezoelektriniame keitiklyje sužadinami papildomi žemesnio arba aukštesnio virpesiai, kurie leidžia aptikti naują tinkamą sistemos darbinį dažnį ir stabilizuoti deflektoriaus darbą.
Projekto metu taip pat buvo sukurtas naujas ultragarsinių virpesių koncentratorių tipas – „bėgančios bangos virpesių bangolaidis“, kuris panaudotas greitaeigiam pjezoelektriniam deflektoriui sukurti. Sukurtos pjezodeflektorių konstrukcijos buvo patentuotos LR valstybiniame patentų biure.