Komerční prezentace
Registrace uživatele

Přihlašte se k odběru informací, novinek, získejte přístup do diskuzního fóra.

Vesmír č. 10
Vesmír č. 10
Toto číslo vychází
2. 10. 2017
Novinky
Zdarma jedno celé číslo Vesmíru v pdf.
• Říjnové číslo Vesmíru
reklama

Nepředstavitelně krátké laserové impulsy

Publikováno: Vesmír 92, 80, 2013/2
Obor: Fyzika

Světelný zdroj zvaný laser za padesát let své existence zásadním způsobem přispěl ke zdokonalení a rozšíření mnoha technologií ve vědě, v průmyslu, medicíně a dalších oblastech lidského konání. Může být malý jako zrnko písku, může být velký jako dům. Unikátní vlastnosti laserového paprsku se využívají na řezání kovů i lidské tkáně, v optické komunikaci na velké vzdálenosti, jsou součástí zařízení, se kterými se dennodenně setkáváme: čtečky kódů v obchodech, digitální přehrávače všeho druhu, laserové tiskárny apod. V přírodních vědách se laser stal jedním z nejběžnějších vybavení laboratoře. Existuje však jedno naprosto výjimečné využití laseru, a to zapalování řízených termojaderných reakcí v kuličkách s deuteriem a tritiem.

Při těchto reakcích vyletují z kuliček neutrony s obrovskou využitelnou energií. Protože deuterium lze získat z mořské vody (které je spousta) a tritium z lithia (toho je také spousta), je toto „čisté“ (i pro životní prostředí přijatelné) a především téměř konečné řešení vyvstávající energetické krize natolik vábivé, že nadnárodní finanční konsorcia souhlasí s enormními peněžními částkami na stavbu a provoz potřebných vysokový konných laserových zařízení. A velice vysokovýkonná zařízení to být musí. Aby došlo k potřebné kompresi a zapálení materiálu v uvedené kuličce, musí mít na ni dopadající záření výkon alespoň 3×109 MW (megawatt), tj. 3 tisíce miliard kW! Kuličky musí padat do laserového svazku s frekvencí 5–10krát za sekundu, takže i laserové impulsy musí mít tuto opakovací frekvenci.

Uvedené číslo představuje obrovský výkon. Srovnejme: výkon dvou bloků temelínské jaderné elektrárny je 2000 MW. Při představě, že jde o půl druhého milionu Temelínů, na nás padne děs. Ale pozor! Uvědomme si jeden naprosto zásadní rozdíl: Temelínská elektrárna musí mít svůj výkon nepřetržitě, minutu po minutě, den za dnem, avšak laser určený pro termojadernou fúzi může mít tento výkon jen po několik pikosekund, tj. jen po dobu několika miliontin z miliontiny sekundy (1 ps = 10–12 s). Mezi jednotlivými impulsy je výkon daného laseru nulový! Pro názornost srovnejme energie: temelínské bloky vyprodukují za 1 hodinu elektrickou energii v hodnotě 2000 MWh. Za tutéž dobu vyprodukuje zmíněný vysokovýkonný laser světelnou energii pouze 0,1 MWh, tj. méně než desetitisícinu energie Temelína. To je uklidňující zjištění.

Vyvstává však otázka: Jak je vůbec možné dosáhnout tak krátkého, a přitom tak mohutného laserového impulsu? Laserový svazek se vytváří v laserovém oscilátoru. Základním prvkem oscilátoru je rezonátor tvořený dvěma protilehlými zrcadly, mezi kterými je laserové prostředí neboli aktivní médium. Aktivním médiem bývá směs plynů nebo pevná látka (polovodič, krystal). Při laserové akci jsou atomy či molekuly média nejprve excitovány na horní laserovou hladinu, to znamená, že navýší svou vnitřní energii např. při srážce s jinou částicí nebo při absorpci světla o vhodné vlnové délce. Při zpětném vyzáření této absorbované energie se pak v laserovém médiu spontánně vytvoří malý zárodek laserového svazku, který cestuje mezi zrcadly a při každém průchodu médiem si „přicucne“ trochu energie (stimulovaná emise). Zesílený laserový svazek se ale musí dostat z rezonátoru ven, jinak by nebyl využitelný. Vyzáření se děje průnikem skrz jedno zrcadlo rezonátoru, tzv. polopropustné, jehož reflexní vrstva odráží jen část záření a část propouští.

Pulsní režim oscilátoru

Jak to zařídit, aby laserový oscilátor pracoval pulsně, aby se mezi impulsy energie v laserovém médiu pouze hromadila a vyzářila se jen v povolený okamžik? Je zřejmé, že se musí zamezit tomu, aby se energie excitovaných částic vyzařovala průběžně. To se provede tak, že do rezonátoru vložíme nějaký optický prvek, který můžeme zvnějšku ovládat a který na určitou dobu znemožní volný průchod záření mezi zrcadly. Jaký optický prvek dokáže „zavírat“ a „otevírat“ rezonátor?

Dokáže to Pockelsova cela. Je obvykle v rezonátoru umístěna poblíž plně odrazného zrcadla. Její podstatou je malý hranol z krystalu, který vykazuje optický dvojlom. Jeho dvojlomné vlastnosti lze účinně ovlivnit elektrickým polem. Pokud je na Pockelsově cele vloženo napětí, je rezonátor pro světlo neprůchozí. Když na krátký okamžik napětí přerušíme, rezonátor je průchozí a laserový efekt může nastat (podrobněji viz [1]). Výkony, které laboratorní typy těchto laserů v impulsech produkují, jsou až jednotky GW (gigawatt, 109 W) a délka impulsu bývá řádově desítky nanosekund (1 ns = 10–9 s). Více o výkonových laserech viz [2].

Prodlužujeme a zkracujeme laserový impuls

Zmíněné nanosekundové impulsy jsou však ještě příliš dlouhé, a tak vyzařovaný laserový výkon (energie impulsu dělená délkou jeho trvání) není dostatečně vysoký. Cesta vedoucí k ohromnému navýšení výkonu v laserovém impulsu byla publikována již v r. 1985. D. Strickland a G. Mourou z Rochesterské univerzity v USA, použili pro optické laserové systémy techniku používanou v té době u radarů: místo silného a krátkého signálu se vysílá ekonomicky výhodnější slabší a delší impuls, který se po odrazu na předmětu a příchodu zpět zkomprimuje na krátký impuls, aniž by se ztratily informace o detekovaném objektu.

K pochopení této techniky musíme přijmout podivuhodnou zákonitost: čím kratší je elektromagnetický impuls, tím širší je jeho spektrální rozklad. Před touto skutečností není úniku. Znamená to, že čím kratší je laserový impuls, tím širší je spektrum frekvencí (vlnových délek), které obsahuje a ze kterých lze onen impuls složit.

Věříme tedy, že kraťoučký impuls je tvořen zářením o mnoha vlnových délkách. Kdyby se podařilo toto klubko vlnových délek „rozmotat“ a záření na různých vlnových délkách „seřadit“ za sebou, měl by se impuls prodloužit. To fyzikální optika umí! Základním prvkem takového prodlužovače laserových impulsů je disperzní prostředí. To je citlivé k vlnové délce procházejícího světla. Jestliže je takové, že čím kratší je vlnová délka, tím pomaleji impuls postupuje, jde o prostředí s normální disperzí. Jestliže tedy jednotlivé spektrální složky impulsu postupují různou rychlostí, musí se výsledná doba trvání impulsu prodloužit!

Jak konkrétně takové disperzní prostředí vypadá? Je to každé hmotné prostředí. Překvapivě je i vzduch disperzní prostředí. U něj je však závislost rychlosti průchodu impulsu na vlnové délce velmi slabá. Disperzní prostředí, která musí vykazovat silnou závislost průchodu světla na vlnové délce, jsou obvykle uměle vytvořená. Jednoduchá verze prodlužovače laserových impulsů je na obr. 3. Vidíme, že výstupní prodloužený impuls má v přední části světlo s nejkratší vlnovou délkou, tj. modré, a v zadní části světlo červené. Kdybychom měli laserový impuls s opačným trendem vlnových délek a pustili ho do tohoto systému hranolů, zařízení by fungovalo jako zkracovač, kompresor laserových impulsů.

K čemu je ale dobré impuls nejprve časově roztáhnout a potom ho zase zkrátit, zkomprimovat?

Je to ohromná věc! Už v osmdesátých letech se totiž zjistilo, že nelze donekonečna zesilovat krátké impulsy pouze tím, že budeme přidávat další a větší zesilovače. Intenzita záření (tj. výkon na 1 cm2) potom dosáhne takové hodnoty, že destruuje laserové médium, což má za následek zhoršení kvality laserového svazku, především tvaru jeho čelní plochy. Avšak při využití výše uvedeného prodlužovače je možno časovým prodloužením impulsu snížit jeho výkon, tj. i intenzitu, a poté ho zesilovat, aniž se ničí laserové médium. Po výstupu ze zesilovačů se laserový svazek zavede do optického kompresoru a stlačí na původní délku! Tato metoda, která se celosvětově označuje jako CPA – Chirped Pulse Amplification, vedla ke skokovému navýšení výkonu velkých laserových zařízení. V r. 1999 tak byl dosažen v Lawrencově laboratoři v Livermoru ve Spojených státech amerických petawattový výkon, tj. 1015 W (!), impuls měl délku 440 femtosekund (fs = 10–15 s). Laserovým médiem v oscilátoru byl krystal safíru dopovaný titanem a v zesilovačích fosfátové sklo dopované neodymem.

V současnosti se komerčně vyrábí ohromné množství laserů různých druhů, můžete zakoupit ultrarychlé lasery s délkou impulsu 100 femtosekund a opakovací frekvencí 100 MHz, které jsou navíc laditelné od vlnových délek 700 nm až např. do 1300 nm. Pokud potřebujete velký výkon, zakoupíte lasery s energií 2,5 J v pulsu o délce 10 nanosekund (250 MW!) a opakovací frekvencí 10 až 100 Hz. Malé a kompaktní jsou bloky diodových laserů, přesto mohou dodávat kontinuálně výkon až 10 kW. Velký rozmach zaznamenaly vláknové lasery, jejichž aktivní prostředí, skleněné optické vlákno dopované prvky vzácných zemin, může být dlouhé i několik kilometrů a v jednom vlákně lze získat výkon i několik kW. Avšak laserové systémy s výjimečnými výkony řádu petawatt zůstávají světovými unikáty. Jeden z nich bude vybudován v České republice.

V Dolních Břežanech u Prahy začala stavba laserového komplexu ELI-Beamlines [www.eli-beams.eu/cs], který bude součástí velkého evropského projektu ELI- Extreme Light Infrastructure. Výše uvedená technika CPA, propracovaná do novější varianty značené jako OPCPA (Optical Parametric Chirped Pulse Amplification, blíže viz [1]), je jednou z klíčových technik pro dosažení petawattových a vyšších výkonů v kvalitním laserovém svazku.

Literatura

[1] více na www.vesmir.cz

[2] Rohlena K., Vesmír 89, 665, 2010/11.

[3] Brooker E., Scientific American, February 1985, s. 94–103.

Soubory

článek ve formátu pdf: 201302_080-083.pdf (475 kB)
Rozšířená verze článku: TH_kratkepulsy.pdf (538 kB)

Diskuse

Žádné příspěvky