EPO - Урсула Келлер (Швейцария)

  1. Общественная выгода
  2. Экономическая выгода
  3. Как это устроено
  4. Изобретатель
  5. Вы знали?

Изобретения: сверхбыстрые лазеры

Медицинская хирургия, детальное производство и научные исследования сделали огромный шаг вперед, когда швейцарский ученый, изобретатель и профессор Урсула Келлер открыла, как превратить непрерывный лазерный свет в сверхбыстрые лазерные импульсы. Благодаря тому, что световые вспышки длились менее одной триллионной доли секунды, изобретения Келлера дали науке, промышленности и медицинскому сообществу инструмент беспрецедентной точности.

Научные исследования, промышленная микрообработка и критические медицинские операции требуют все более точных инструментов Научные исследования, промышленная микрообработка и критические медицинские операции требуют все более точных инструментов. Но ученые, производители и хирурги не смогли приручить инструмент высочайшей точности - сам свет.

Полупроводниковое поглощающее зеркало Keller (SESAM), которое она изобрела в 1992 году, работая в лаборатории AT & T Bell Laboratories, предоставило практический метод создания чрезвычайно коротких энергетических вспышек лазерного света. Благодаря ее разработкам, лазеры теперь могут производить короткие всплески длительностью от пикосекунд (10-12 секунд) до фемтосекунд (10-15 секунд) и повторяться до нескольких миллиардов раз в секунду.

Сверхбыстрый Femto-Lasik для хирургии глаза способен делать крошечные разрезы без риска повреждения близлежащих тканей. Точно так же раковая ткань может быть вырезана без обжига соседних здоровых клеток. И эта технология открыла множество приложений для обработки и обработки материалов, которые имеют жизненно важное значение для автомобильной и электронной промышленности.

В качестве профессора физики в Цюрихе Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Келлер усовершенствовала и разработала концепцию SESAM, расширив ее, включив в нее больше типов лазеров; Кроме того, она разработала точное научное измерительное оборудование, которое исследует чудеса вселенной вплоть до квантового уровня.

Общественная выгода

Почти каждый коммерчески доступный сверхбыстрый лазер теперь включает в себя SESAM. Благодаря этим сверхбыстрым лазерам можно удалять очень мелкие, тонкие кусочки материала (от 10 до 100 нанометров на лазерный импульс) - не нагреванием, как с другими типами лазеров, а с помощью процесса, называемого холодной абляцией. В медицинских приложениях, особенно в хирургии глаза, лазеры, оснащенные SESAM, обеспечивают точное количество энергии, необходимое для выполнения тонких разрезов без повреждения окружающей ткани.

Поскольку эти лазеры не нагревают окружающий материал, они также используются для мелких деталей на стеклянных, полимерных и кремниевых подложках, которые в противном случае могли бы растрескиваться или становиться хрупкими при более высоких температурах. Эти лазеры полезны для производства высокотехнологичных электронных устройств, таких как сенсорные экраны смартфонов, мониторы с плоскими экранами и телевизоры, которые требуют рисунков травления на закаленном стекле или точной резки.

Автомобильная отрасль также является одним из основных пользователей сверхбыстрых лазерных устройств с тех пор, как технология SESAM впервые появилась на рынке два десятилетия назад. Сверхбыстрые лазеры могут «сверлить» замысловатые маленькие ямы, чтобы уменьшить трение и продлить срок службы небольших вращающихся деталей. Они также являются заменой стандартных методов микрообработки, используемых для оптимизации режима распыления прямых топливных форсунок. Получающаяся в результате простая, но точная конструктивная особенность может помочь повысить эффективность использования топлива на 10% и более, не влияя на производительность.

Кроме того, Келлер применила свою технологию SESAM для недорогих лазерных источников света, что делает их пригодными для таких применений, как лазерные дисплеи, телекоммуникации и в качестве источника света для технологий медицинской визуализации. Новую адаптацию SESAM, названную MIXEL, легче производить, и она расширяет потенциальные приложения, включая потребительскую электронику, такую ​​как лазеры в игровых консолях и лазерные системы наведения (LIDAR) для автомобилей с автономным управлением.

Экономическая выгода

Мировой рынок сверхбыстрых лазеров был оценен в 2,17 млрд евро в 2017 году, или около одной пятой всего рынка лазерной техники, и, как ожидается, достигнет значения 8,3 млрд евро к 2023 году. Автомобильная промышленность была определена как единое целое. из основных областей для роста, благодаря новым применениям сверхбыстрой лазерной микрообработки как для турбинных валов турбокомпрессоров, так и для непосредственных топливных инжекторов. Ожидается, что мировой рынок офтальмологических лазеров (для хирургии глаза), в том числе сверхбыстрых (фемтосекундных) лазеров, вырастет с 784 миллионов евро в 2016 году до 1 миллиарда евро в 2021 году. Ожидается, что сегмент фемтосекундных лазеров будет доминировать на всем рынке. с точки зрения доходов и роста.

Основными игроками в секторе сверхбыстрых лазеров являются французская компания Amplitude Systèmes, американская фирма Coherent, немецкая компания Trumpf, литовская Ekspla и британская Fianium. Другим является Lumentum, материнская компания Time-Bandwidth Products, которая является дочерней компанией из ETH Zurich, которую Keller основал в 1995 году.

Келлер также запустил второй стартап, GigaTera, который был включен в продукты Time-Bandwidth. Несколько учеников Келлера создали собственные дочерние или начинающие компании, в том числе High-Q (в настоящее время принадлежащий MKS), Onefive (приобретенный NKT Photonics в 2017 году) и Amplitude Systèmes. Несмотря на то, что сложно определить точные значения, по оценкам, эта деятельность принесла более 100 миллионов евро экономической активности, при этом большинство их высокопроизводительных лазерных рабочих мест создано в Европе.


Как это устроено

Слово «лазер» означает «усиление света стимулированным излучением». Таким образом, лазерное излучение возникает, когда атомы стимулируются энергией (например, теплом или светом), а их электроны испускают фотоны (то есть энергию света). Как правило, из-за их эффективности и универсальности используются особо чистые кристаллы, такие как синтетические рубины или алюминиевые гранаты. Когда эти кристаллы получают энергию, электроны испускают фотоны с одинаковой частотой в виде монохроматического лазерного луча.

Типичный непрерывный лазер содержит кристалл между двумя зеркалами, так что лазерный свет отражается взад и вперед внутри кристалла до тех пор, пока не будет достигнут энергетический порог, и одно зеркало не пропускает лазерный свет в виде непрерывного луча. Келлер изменила это с помощью своего нового лазера под названием SESAM. Она заменила одно зеркало на кусок полупроводника, который действует как зеркало - но только до определенной степени. Когда световые волны отражаются между зеркалами, полупроводник поглощает свет с более низкой энергией, оставляя только свет с высокой энергией, который необходимо усилить. Когда порог достигнут («насыщение»), полупроводник на короткое время перестает действовать как зеркало и излучает один короткий импульс света (около пяти процентов энергии в кристалле).

Сверхбыстрая лазерная технология Келлера также позволяет изучать почти мгновенные субатомные реакции. Ее управляемый лазером «аттлок» записывает временные интервалы с точностью до нескольких миллиардных долей миллиардной доли секунды - другими словами, аттосекунды (10–18 секунд), причем аттосекунда - это примерно количество времени, которое требуется свету для прохождения через соседние атомы. , Используемый в качестве виртуального субатомного стробоскопа, этот «час» «замораживает» движение быстро движущихся объектов, таких как электроны, позволяя измерять явления в бесконечно малом мире квантовой механики.

Изобретатель

Урсула Келлер, уроженка Швейцарии, получила степень бакалавра наук по физике в ETH Zurich в 1984 году. Затем она переехала в Стэнфордский университет, где получила степень магистра наук (1987 год) и степень доктора наук (1989 год), оба в области прикладной физики. Келлер присоединилась к AT & T Bell Laboratories (сегодня Nokia Bell Labs) в 1989 году. В 1993 году она получила должность профессора в ETH Zurich в научно-исследовательской лаборатории сверхбыстрой лазерной физики, где она стала соучредителем выделенных продуктов Time-Bandwidth (1995) и начала up GigaTera (2000), оба из которых были позже приобретены калифорнийским Lumentum.

Келлер опубликовал более 440 рецензируемых журнальных статей и 11 глав книг. Она является одним из ведущих мировых ученых в области сверхбыстрой фотоники и имеет семь европейских патентов. Среди ее многочисленных наград она получила IEEE Photonics Award (2018), Weizmann Women & Science Award (2017), Оптическое общество Чарльза Хард Таунса (2015) и стипендию Джеффри Фрю Австралийской академии наук (2015). , Келлер руководил более чем 70 аспирантами; 11 из ее прошлых учеников стали профессорами, а несколько других перешли на позиции в компании-производители лазера или создали свои собственные компании. С 2010 года Келлер занимал должность директора Швейцарского национального центра компетенции по исследованиям в области молекулярной сверхскоростной науки и техники. В 2014 году она стала членом исследовательского совета Швейцарского национального научного фонда в отделении математики, естественных и технических наук.

Вы знали?

Европа играет важную роль как в исследованиях, так и в производстве сверхбыстрых лазеров. Огромное количество лазерных ноу-хау позволило сконцентрировать около 73% самых интенсивных и сверхбыстрых лазеров в мире (класс петаватт) в Европе. Исследовательский проект ЕС Extreme Light Infrastructure с бюджетом в 850 миллионов евро призван объединить ведущих экспертов для создания самого мощного в мире лазера. Европа также является домом консорциума Laserlab-Europe, который объединяет ключевые исследовательские центры, такие как ETH Zurich, Университет Йены, Институт ParisTech d'Optique и Институт квантовой оптики Макса Планка, с сильными промышленными игроками в этой области, такие как Amplitude Systèmes и Trumpf.

На протяжении многих лет лазеры играли ключевую роль в инновациях нескольких финалистов и победителей Европейской премии изобретателей. Список включает изобретателей оптической когерентной томографии, Джеймс Г. Фухимото, Эрик А. Свансон и Роберт Хубер (2017; Страны, не входящие в ЕПВ - победители); инженер-электронщик, стоящий за методом кодирования CD, DVD и Blu-ray, Корнелис А. Шухамер Имминк (2015; Пожизненное достижение - финалист); пионер лазерной хирургии глаза Йозеф Билле (2012; Пожизненное достижение - победитель); изобретатели квантовых каскадных лазеров, Федерико Капассо, Жером Фаист и команда (2012; Страны, не входящие в ЕПВ - финалисты); и изобретатели сканирующего лазерного офтальмоскопа, Дуглас Андерсон и команда (2008; МСП / Исследования - победители).

Вы знали?