Laserové a optické technologie

Skupina se dlouhodobě zabývá pokročilými přístupy a aplikacemi zaměřenými na různé oblasti aplikované optiky. Hlavní zaměření je na návrhy, analýzy, design a výrobu nestandardních optických prvků a systémů (jak zobrazovacích, tak nezobrazovacích), např. optických systémů fluorescenčních detektorů určených pro výzkum kosmického záření. K tomu účelu jsou vyvíjeny a využívány optické technologie (inovace klasických technologií pro opracování tvrdých a velmi tvrdých materiálů, zvláště skel) - hrubé a jemné broušení, leštění, nové přístupy opracování povrchu skel založené na subaperturních metodách. V souvislosti s tím jsou rozvíjeny také metody syntézy a analýzy tenkých vrstev a povrchů.

Schopnosti vyrábět ultralehká zrcadla velkých rozměrů skupina využila např. na Observatoři Pierra Augera (PAO) umístěné v Argentině (viz např. Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. Sec. A 2010, 620, 227). Úspěch PAO vyústil v angažmá skupiny v mezinárodní kolaboraci CTA – Cherenkov Telescope Array – kde skupina vyvíjí měřicí systémy a metody hodnocení kvality výroby a opotřebení vzorků zrcadel poskytnutých potenciálními dodavateli optických teleskopů jako detektorů kosmického záření (Astropart. Phys. 2013, 43, 3). Jelikož oba zmíněné projekty spoléhají na pozorování sekundárních jevů v atmosféře, jsou fluorescenční vlastnosti atmosféry rovněž v centru pozornosti skupiny (Astropart. Phys. 2013, 42, 90). Potřeba dlouhodobého sledování úrovně oblačnosti a optického pozadí noční oblohy vyústila v návrh a konstrukci specializované autonomní celooblohové kamery (EPJ Web Conf. 2016, 144, 01005). Kamery byla instalovány na kandidátských lokacích observatoří CTA (po čtyřech v USA a Argentině, po jedné v Chile, Namibii, na Kanárských ostrovech a v Mexiku) a jsou také součástí řídícího systému Observatoře Pierra Augera v Argentině. Prototypy teleskopů vyvinuté pro observatoř CTA jsou v současnosti umístěny v areálu Astronomického ústavu AV ČR v Ondřejově a slouží k testování pokročilých technologií detekce vysokoenergetických fotonů gama a pro stelární interferometrii.

Skupina se také v rámci kolaborace FAST, jejímž je zakládajícím členem, významně podílela na vývoji nové generace levných detektorů kosmického záření (J. Instrum. 2020, 15, T10009). V současnosti je v provozu pět prototypů (tři na severní polokouli, Telescope Array, Utah, USA, a dva na jižní, v areálu Observatoře Pierra Augera, Malargüe, Argentina) a jsou tak jediným zařízení pro detekci kosmického záření o ultravysokých energiích na obou polokoulích.

Skupina se také podílí na dalších úkolech s aplikacemi v průmyslu (např. zařízení sledující v reálném čase barevné značení na pružinách v rámci výrobní linky firmy v automobilovém průmyslu (J. Opt. Soc. Am. A 2020, 37, 1583) nebo výzkum a optimalizace optického systému pro sledování kvality příze během její produkce). Angažmá skupiny v kolaboracích PAO a CTA vyústila ve spoluautorství více než 100 publikací v časopisech registrovaných na Web of Science (např. Science 2017, 357, 1266). V těchto kolaboracích tým úzce spolupracuje se skupinou astročásticové fyziky Fyzikálního ústavu AV ČR.

V oblasti vlastností materiálů se skupina zaměřuje zejména na analýzu mechanických a tribologických vlastností na malých škálách s využitím moderního vybavení a metod. Ve většině případů je práce inspirována jak vědeckou zvědavostí, tak technologickými cíli. Jsou testovány různé druhy materiálů včetně tenkých vrstev a povrchů (keramiky, kovy, nanokompozity) (Surf. Coat. Technol. 2011, 205, 3372; Surf. Coat. Technol. 2012, 206, 3580), povrchu připravené depozicí z plazmatu (Ceramics Int. 2010, 36, 2155), monokrystaly (Appl. Phys. Lett. 2014, 105, 082906) a jiné objemové materiály. Provádějí se nanoindentace s detekcí hloubky a scratch testy při pokojové teplotě nebo při teplotách zvýšených až na 500 °C. Za zmínku stojí, že naše skupina je jediná v ČR a jedna z mála ve světě, která disponuje zkušenostmi s vysokoteplotními měřeními nanomechanických vlastností na mikro/nano škále. V případě tenkých vrstev a povrchů jsou mechanické charakteristiky korelovány s parametry depozičního procesu a poskytují tak úplný popis studovaných materiálů. Kromě toho lze studovat teplotní stabilitu tenkých vrstev a jejich mechanických vlastností. Zejména byl systematicky studován potenciál tvrdých vrstev SiCN (Sci. Rep. 2018, 8, 10428), super-tvrdých vrstev B₄C (Diam. Relat. Mat. 2009, 18, 27), nebo nanokrystalického diamantu pro aplikace v jaderné energetice (Sci. Rep. 2017, 7, 6469). Výzkum zabývající se tenkými vrstvami a povrchy byl realizován ve spolupráci v Ústavem pro problémy materiálových věd při Ukrajinské akademii věd. Ve spolupráci s Polytechnickým institutem a státní univerzitou ve Virginii (USA) byla vyvinuta modifikovaná neizotermální nanoindentační metoda, která umožnila přímou detekci negativní tuhosti feroelektrických materiálů při Curieově teplotě a kvantifikaci negativní tuhosti bez nutnosti zásahu do struktury materiálu (Appl. Phys. Lett. 2014, 105, 82905). Další specialitou skupiny je kombinace nanomechanických testů s analýzou akustické emise, která umožňuje detailní pohled na procesy strukturních změn v nitru materiálů a vrstev (JOM 2019, 71, 3358; Mater. Sci. Eng. A 2020, 780, 139159). Skupina také připravuje nanostrukturované tenké vrstvy pomocí depozice z nízkoteplotní plazmatu, např. pro aplikace v oblasti povrchově zesíleného Ramanova rozptylu (Appl. Surf. Sci. 2023, 618, 156703). V této oblasti také patentovala řadu technologických postupů a zařízení.

V oblasti laserových technologií se skupina zabývá zejména svařováním nerezových plechů pomocí Nd:YAG laseru s měnitelnými parametry, jejichž vliv je zkoumán na řezech vzorků pomocí laserové skenovací mikroskopie. Byl vyvinut numerický model pulsního svařování v software SYSWELD s cílem odhadnout množství absorbované energie (Metallurg. Mater. Trans. B 2010, 41, 1108; Metallurg. Mater. Trans. B 2014, 45, 1116). Možnost on-line monitorování svařovacího procesu byla zkoumána jak na vlastním systému Nd:YAG tak i na průmyslovém kontinuálním CO₂ laseru u průmyslového partnera (J. Mater. Process. Technol. 2012, 12, 910). Byl vyvinut software LWM (Laser welding monitor) využívající data z UV spektrometru (J. Mater Eng. Perf. 2012, 21, 764). Numerický model umožňuje optimalizovat parametry tavení povrchu a byl testován na reálných vzorcích u průmyslového partnera, přičemž modifikace povrchu byla vyhodnocena pomocí kontaktní profilometrie. Vedle těchto hlavních témat se skupina zabývá kapalinou-asistovaným popisováním křemíku laserem, nepřímým značením skel a interakcí laseru s nanočásticemi. Rovněž byl prováděn výzkum šíření a tvarování laserových svazků s extrémní energií (ve spolupráci s projektem ELI Beamlines a průmyslovými partnery).

Nejnovější publikace skupiny

Nejnovější publikace kolaborace Pierre Auger Observatory (s přispěním zaměstnanců SLO)

Skupina optických a laserových technologií