Sloužíme jako informační portál pro všechny, kteří se zajímají o lasery a světlo jako takové.
Dětem, studentům a široké veřejnosti zodpovíme veškeré otázky.

Lasery a efektivní fúze

By |

Ze školy si možná všichni pamatujeme, že jednou ze zásadních jaderných reakcí je tzv. nukleární fúze. Při ní dochází ke slučování jader atomů a zároveň se při přeměně lehčích prvků v těžší uvolňuje značné množství energie. Takováto reakce probíhá například v hvězdách a má mnohem větší efektivitu, než jaderné štěpení, které dnes používáme v průmyslových reaktorech. Také už asi ze školy víme, že dokonalé ovládnutí fúze je svatým grálem energetiky a že jsme od ní asi 30 let daleko – a je úplně jedno, kdy v posledních desetiletích jste do školy chodili. O fúzi se pořád mluví jako o něčem, co chápeme, ale ještě ne dostatečně ovládáme a oněch ikonických „30 let“ opakujeme už minimálně půl století. 

O úskalích termonukleární fúze, a proč se pořád nedaří posílat do drátů elektřinu vyrobenou pomocí malých, průmyslových sluncí, by se dalo mluvit dlouho. Nás ale zajímá, jakou roli ve snaze dosáhnout úspěchu při spuštění efektivní fúze hrají lasery. Jednoduchá odpověď zní: pravděpodobně zásadní.

Možností jak v řízeném prostředí dosáhnout fúze je totiž několik. V pozemských podmínkách se nejlepším palivem fúzních reaktorů ukazuje být reakce deuteria a tritia, tedy tzv. těžký a supertěžký izotop vodíků. Aby ale došlo k „zapálení“, je potřeba je přivést k teplotám 100–200 milionů kelvinů. V takovém stavu je hmota ve skupenství plazmy, konkrétně vysoce energetického plazmatu s nesmírnou hustotou. V podstatě tak stojíte před úkolem tuto plazmu nějak udržet dostatečně dlouho na to, aby se spustila řízená fúze a vy mohli bezpečně energii využívat. Samozřejmě s tím, aby byla celá soustava stabilní – neřízenou fúzi už totiž zvládáme docela dobře, jen jí říkáme termonukleární zbraň a to opravdu není dobrá hračka.

Laserové technologie nacházejí uplatnění v metodě tzv. inerciální udržení. Jeho princip spočívá v tom, že se palivo prudce zahřeje a zápalné teploty fúze dosáhne v těch několika zlomcích vteřiny předtím, než by nestabilní, magneticky nedržená plazma expandovala do okolí. Název inerciální udržení odkazuje na to, že setrvačnost (inerce) na potřebné nanosekundy udrží palivo pohromadě.

Pro dosažení inerciální fúze je proto potřeba palivo v pevném skupenství nesmírně stlačit tak, aby se prudce navýšila jeho hustota. Ve škole jsme se možná učili, že kapaliny a pevné látky jsou nestlačitelné, nicméně při extrémních tlacích to možné je. Aby se ovšem dosáhlo takového mimořádného tlaku, je potřeba mimořádných postupů. Vysokoenergetickým laserovým paprskem působícím na povrch paliva dojde k prudkému zvýšení teploty a změně skupenství. Excitované atomy uvolněných plynů se odrážejí od stále ještě pevného povrchu a působí značným tlakem směrem dovnitř. 

Aby se zabránilo vystřelení hmoty, je potřeba palivo bombardovat laserovými paprsky z více stran tak, aby byly tlaky v rovnováze směrem dovnitř. Je potřeba říci, že se bavíme o skutečně extrémních podmínkách. Teploty musí přesáhnout 100–200 milionů °C, ve stavu plazmatu se palivo udržuje několik desetin miliardtin sekundy (hrozné to jen napsat, natož si to představit). Vnitřní tlaky v palivu jsou stomilionkrát vyšší, než tlak atmosférický. 

Nebýt laserových technologií, nebylo by možné tak extrémních podmínek dosáhnout. Jiné fúzní reaktory, jako například známé tokamaky (které se také stále nepodařilo dotáhnout k průmyslovému využití), využívají princip tzv. magnetického držení. Při něm se plazma stabilizuje ve vakuu, postupně se zahřívá a koncentruje. Inerciální držení působí o poznání dramatičtěji, paradoxně je ale díky naší schopnosti stavět supervýkonné lasery dosažitelnější. Fúzní elektrárna založená na inerciálním držení by vlastně byla jednou velkou laserovou soustavou. 

Abychom totiž místo reaktoru nevyrobili bombu, musí být palivový terčík bombardovaný laserem velmi malý. V dnešních zařízeních se laserem bombardují „peletky“ vytvořené z plastové kuličky o velikosti kuličky pepře. Ta je naplněná hluboce podchlazenou směsí deuteria a tritia, které se před „zapálením“ nachází v pevném skupenství. Výsledkem je relativně malá exploze (která ovšem uvolňuje energii v řádech sta milionů joulů), v průmyslovém využití by proto takových miniaturních explozí probíhala celá série za sebou.

Ani inerciální udržení ale není dokonale zvládnuté – jak už to tak bývá, co se zdá být funkční v teorii, pokulhává v praxi. Rozvoj technologie trvá už od 70. let, v novém století byly největší naděje dávány do zařízení National Ignition Facility (NIF) v USA. Jde o doposud největší zařízení tohoto typu, které je schopné palivo bombardovat celkem 192 laserovými paprsky, jež dokázaly palivový terčík ohřát energií 2 MJ. Jde mimochodem o tak high-tech stavbu, že si dokonce v jednom Star Trek filmu zahrála v roli strojovny lodi Enterprise. I v tomto provozu se ale původní očekávání nenaplnila a tříletá kampaň spuštěná v roce 2009 nedosáhla stanoveného cíle, totiž dostatečně energeticky efektivního zapálení fúze. Zařízení NIF sice různými technickými úpravami až čtyřicetinásobně zlepšilo výtěžky z dosažené fúze, přesto to nestačilo. Původní ambice NIF jsou tak dnes v útlumu a zařízení se věnuje jiným vědeckým úkolům spojeným s materiálovou vědou a vojenským výzkumem.

To ovšem neznamená, že by potenciál technologie byl mrtvý – právě naopak. Existuje několik dalších výzkumných center hledajících vhodnou cestu (konkrétně se řeší přesný způsob zapálení palivové kuličky, fokusování energie laserů a podobně), navíc ani NIF možná ještě neřekl poslední slovo. Pointa je v tom, že laserové stlačování paliva funguje. Pereme se ne se samotným fyzikálním principem, ale především s energetickou náročností laserů a konkrétními konstrukčními řešení. Ano, je pravda, že pozornost některých výzkumných center se od laserů posouvá směrem k urychlovačům schopným generovat iontové pulsy s podobným efektem. Jak ale ví každý fanoušek sci-fi, lasery jsou cool a ještě není důvod přestat jim držet palce. Ostatně nezapomínejme: průmyslová jaderná fúze je už jen 30 let daleko.

Popisky obrázků:

Obr. 1: Schéma spuštění jaderné fúze při inerciálním udržení. 1) Laserové paprsky dopadají na povrch paliva, při prudkém zahřátí vzniká plasmový obal. 2) Materiál je vystřelen směrem od okraje, namísto jeho raketového odpálení pryč na něj ale působí protisměrné lasery. 3) Soustava se na zlomky nanosekund dostává do rovnováhy, kdy se všechen tlak soustředí ve středu palivové kuličky. 4) Jádro dosahuje teploty 100 milionů °C a obrovské hustoty. Spouští se jaderná fúze. 

Obr. 2: Palivová kulička užívaná NIF, obsahující směs deuteria a tritia v pevném skupenství uvnitř plastové kuličky. (Zdroj: National Ignition Facility)

Obr. 3: Schéma zařízení NIF. Paprsky z laserových zařízení (modře) se koncentrují do jednoho bodu uvnitř palivové komory (červeně), kde je umístěna palivová kulička. (Zdroj: National Ignition Facility)

Lasery a česká věda

By | | No Comments

Kde se vzaly lasery?

 

Teoretické kořeny najdeme u Alberta Einsteina, který v roce 1917 přišel s myšlenkou tzv. stimulované emise záření: totiž že foton (částice světla) může za určitých okolností přimět atom nějaké látky, aby vyzářil nový foton o stejných vlastnostech, čímž dochází k zesílení světla. Ovšem první laser byl sestrojen až Theodorem H. Maimanem v roce 1960.

 

Jak lasery fungují?

 

Srdcem každého laseru je tzv. aktivní prostředí, kterým mohou být pevné látky, kapaliny i plyny.
V aktivním prostředí dochází k vybuzení elektronů na vyšší energetické hladiny, přičemž potřebná energie je dodávána diodami, výbojkami či dalšími způsoby. Vybuzený elektron se sráží s fotonem nacházejícím se v jeho okolí. Výsledkem této srážky je vznik nového fotonu s totožnými vlastnostmi, jako měl ten původní. Následně vzniká lavinový jev, kdy se nově utvořené fotony dále srážejí s dalšími vybuzenými elektrony: dochází k již zmíněné stimulované emisi.

 

Pro zvýšení účinnosti se aktivní prostředí obklopuje tzv. otevřeným rezonátorem tvořeným odrazným a polopropustným zrcadlem. Tato zrcadla odráží zpět fotony, které vylétly z aktivního prostředí. Po určité chvíli je energie v rezonátoru natolik velká, že dochází k převýšení všech ztrát způsobených nedokonalostmi rezonátoru. Tak vzniká laserové záření, které polopropustným zrcadlem vychází ven.

 

S trochou nadsázky bychom mohli kořeny laserového výzkumu, respektive základů optiky, u nás najít už v 17.století. Už v roce 1648 totiž Čech Jan Marek Marků (jinak zvaný Marcus Marci) poprvé popsal podstatu duhy a rozptyl světa, Newton přitom něco velmi podobného provedl až v roce 1672. Skutečný laserový výzkum u nás pak začal zhruba o 300 let později.

1. výstřel z ELI laseru

2018

1. výstřel z ELI laseru

2. července 2018 byl v laserovém centru ELI Beamlines slavnostně spuštěn unikátní laserový systém L3-HAPLS vyvinutý ve spolupráci s americkou národní laboratoří LLNL. Tento jedinečný laser bude sloužit k experimentům v mnoha oblastech základního i aplikovaného výzkumu, např. pro laserem buzené urychlování částic pro nové lékařské metody.
Světlo ve službách společnosti

2016

Světlo ve službách společnosti

Jelikož jsou dnes lasery spolu se svými aplikacemi natolik významným společným tématem pro řadu ústavů Akademie věd ČR, průmysl i veřejnost, byl roku 2016 založen nový program v rámci Strategie AV21. Program Světlo ve službách společnosti rozvíjí progresivní technologie napříč obory. Příkladem může být „aditivní manufacturing“, kde jsou laserové technologie základem pro raketově se rozvíjející technologie 3D tisku, nebo nejrůznější technologie chránící lidské zdraví.
Světové laserové prvenství v HiLASE

2016

Světové laserové prvenství v HiLASE

Poprvé v historii dosáhl diodově čerpaný nanosekundový pevnolátkový laser (DPSSL) magické hranice 1kW, o což se neúspěšně snažila celosvětová vědecká komunita již od roku 1995.
HiLASE

2011

HiLASE

Roku 2011 odstartoval unikátní projekt HiLASE, jež má za cíl vyvinout laserové technologie s průlomovými technickými parametry, které najdou své využití v průmyslu. Za tímto účelem byly v HiLASE ve spolupráci s STFC (Science and Technology Facilities Council) sestaveny dva laserové systémy, PERLA a BIVOJ. Zatímco PERLA má schopnost vrtat nepředstavitelně přesné otvory s kadencí 100 tisíc pulsů za sekundu, což se výborně využívá např. při mikroobrábění, druhý laser, BIVOJ, je momentálně nejsilnějším laserem na světě ve své kategorii a najde uplatnění např. při vývoji nových materiálů pro letecký či automobilový průmysl.
ELI Beamlines

2009

ELI Beamlines

Rok 2009 znamenal začátek ambiciózního projektu ELI Beamlines, jehož cílem je provozovat mezinárodní výzkumné laserové zařízení pro revoluční vědecké experimenty a použití v nejrůznějších oblastech.
ASTERIX IV

1997

ASTERIX IV

V roce 1997 získala Akademie věd ČR od Ústavu fyziky plazmatu Maxe Plancka v Garchingu u Mnichova vysoce kvalitní laserový systém ASTERIX IV, a následně roku 1998 založily Fyzikální ústav a Ústav fyziky plazmatu společnou laserovou laboratoř - Badatelské centrum PALS (Prague Asterix Laser System).
PERUN

1985

PERUN

Roku 1985 byl ve Fyzikálním ústavu ČSAV uveden do provozu výkonový laserový systém PERUN, na nějž v roce 1992 navázal výkonnější PERUN II.
Útlum

60. - 70. léta

Útlum

Přes slibné začátky přinesla druhá polovina 60.let útlum výzkumu v oblasti laserů, který přetrval až do roku 1970, kdy byl výzkumný program zcela ukončen. Důvody byly politické – Sovětský svaz se obával zneužití výzkumu pro vojensky strategické účely, např. k určování polohy pohybujících se objektů.
První lasery u nás

1963

První lasery u nás

Jen tři roky po Maimanově sestavení prvního laseru, se Československo stalo po USA a Sovětském svazu další zemí, která postavila vlastní laser, a to zásluhou týmu Jana Blably (Ústav radioelektronický ČSAV).

Historie laserů ve světě

By | | No Comments

Kde se vzaly lasery?

 

Teoretické kořeny najdeme u Alberta Einsteina, který v roce 1917 přišel s myšlenkou tzv. stimulované emise záření: totiž že foton (částice světla) může za určitých okolností přimět atom nějaké látky, aby vyzářil nový foton o stejných vlastnostech, čímž dochází k zesílení světla. Ovšem první laser byl sestrojen až Theodorem H. Maimanem v roce 1960.

 

Jak lasery fungují?

 

Srdcem každého laseru je tzv. aktivní prostředí, kterým mohou být pevné látky, kapaliny i plyny.
V aktivním prostředí dochází k vybuzení elektronů na vyšší energetické hladiny, přičemž potřebná energie je dodávána diodami, výbojkami či dalšími způsoby. Vybuzený elektron se sráží s fotonem nacházejícím se v jeho okolí. Výsledkem této srážky je vznik nového fotonu s totožnými vlastnostmi, jako měl ten původní. Následně vzniká lavinový jev, kdy se nově utvořené fotony dále srážejí s dalšími vybuzenými elektrony: dochází k již zmíněné stimulované emisi.

 

Pro zvýšení účinnosti se aktivní prostředí obklopuje tzv. otevřeným rezonátorem tvořeným odrazným a polopropustným zrcadlem. Tato zrcadla odráží zpět fotony, které vylétly z aktivního prostředí. Po určité chvíli je energie v rezonátoru natolik velká, že dochází k převýšení všech ztrát způsobených nedokonalostmi rezonátoru. Tak vzniká laserové záření, které polopropustným zrcadlem vychází ven.

 

Nobelova cena za objevy v oblasti laserové fyziky

2018

Nobelova cena za objevy v oblasti laserové fyziky

Nobelovu cenu za fyziku získala trojice vědců Arthur Ashkin, Gérard Mourou a Donna Stricklandová za „revoluční objevy v oblasti laserové fyziky“, a to zejména za vývoj tzv. optické pinzety a za metodu generování velmi intenzivních ultrakrátkých optických pulzů, jež se využívá např. při laserových operacích očí.
Nobelova cena za objev laseru

1964

Nobelova cena za objev laseru

Nobelovu cenu za fyziku za objev laseru získali roku 1964 americký fyzik Ch.H. Towes a ruští vědci Nikolaj Basov a Alexandr Prochorov, kterým se podařilo nezávisle na sobě docílit nepřetržitého výstupu záření. Výzkum laseru prošel od 60.let bouřlivým vývojem a našel své využití v mnoha oblastech od medicíny po průmysl. Důkazem o přínosu laseru pro společnost je udělení Nobelovy ceny za převratné objevy v oblasti laserové fyziky.
1. aplikace

1961

1. aplikace

– Už v prosinci 1961, tedy jen rok a půl po vůbec prvním zapnutí laseru na světě, byla v Columbia Presbyterian Hospital na Manhattanu provedena operace oka, při které byl laserem odstraněn nádor ze sítnice.
Sestrojení prvního laseru

16.5.1960

Sestrojení prvního laseru

Vůbec první laser, který se podařilo uvést do provozu, sestrojil americký fyzik Theodor Maiman. První laser využíval výbojku a aktivním prostředím byl krystal rubínu. Tento první laser nebyl zdaleka tak dokonalý jako lasery dnešní, nicméně jeho sestrojení bylo natolik významné, že 16. květen byl roku 2018 organizací UNESCO vyhlášen Mezinárodním dnem světla.
Slovo laser

1959

Slovo laser

Název LASER, tedy akronym pro Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (tj. zesilování světla stimulovanou emisí záření) zavedl roku 1959 G.Gould.
Popis laseru

1958

Popis laseru

První skutečný popis laseru, který vedl k jeho sestavení a patentování, přinesli vědci Arthur Leonard Schawlow a Charles Hard Townes. Právě Townes, spolu s ruskými fyziky Bassovem a Prochorovem získali roku 1964 Nobelovu cenu za fyziku za objev laseru.
Maser

1954

Maser

Cesta k laseru vedla přes tzv. MASER – jednalo se o kvantový zesilovač, tj. stejný princip jako u laseru, s tím rozdílem, že MASER vyzařoval mikrovlny. Byl postaven Charlesem Townesem a Jamesem Power Gordonem v roce 1954. Poptávka po MASERu vznikala vlastně už za druhé světové války, kdy se začaly více používat radiolokátory, které umožňovaly pomocí tzv. mikrovln zjišťovat polohu nepřátelských letadel. Po válce vývoj pokračoval a konstruktéři hledali způsob, jak zlepšit parametry mikrovlnných vysílačů a přijímačů. Odtud už byl jen krůček k sestrojení prvního maseru.

Světlo

By |

Světlo jako katalyzátor poznání

Zájem o světlo a civilizace šly vždy ruku v ruce. Mezi nejznámější příklady fascinace světlem z dávné historie patří uctívání boha slunce Re ve Starém Egyptě. A jakkoli se dnes mohou zdát názory tehdejších lidí mýtické, už tehdy bylo světlo vnímáno jakožto dárce života, a tudíž zdroj energie.

Význam světla v procesu vidění však lidem překvapivě dlouho unikal. Lidé trvali na tom, že zrak musí být analogický hmatu a význam oka je přitom aktivní. Jako by člověk zrakem věci kolem sebe „ohmatával“. Dnes se tato hypotéza označuje jako emisní teorie vidění.

Teprve středověk byl však obdobím (navzdory stereotypu označovat jej jako „dobu temna“), ve kterém proběhly klíčové pokroky v lidské perspektivě. Fundamentální bylo prohlédnutí muslimského učence Hasana Ibn al-Haythama, který jako první správně interpretoval jev tzv. „camery obscury“.

Pokud v temné místnosti vyvrtáme drobný otvor, kterým dovnitř proniká zvenčí světlo, na protější straně můžeme spatřit obraz okolního světa. To bylo známo již dlouho. Revoluční však byla spravná interpretace, proč je obraz převrácený. Tento jev lze tedy vysvětlit jednoduchým předpokladem, že světlo se ve volném prostoru šíří přímočaře. Pokrokovost tohoto poznatku se nejlépe projevila v renesančním malířství, které vneslo do obrazu prostor.

Určitě stojí za povšimnutí, že pokračující zdokonalování malířství raného novověku, zejména v Nizozemí, následovalo linku, zaměřenou na světlo. Tentokrát v pochopení, jak světlo interaguje s objekty kolem sebe. A není náhodou, že ve stejné době, kdy malíř Rembrandt dumal nad tím, jak zachytit autentický odlesk kovu či lidských vlasů na plátně, přírodovědec van Leeuwenhoek pozoroval v mikroskopu první detaily mikroskopického světa. Za zmínku stojí, že pozoroval objekty, které i dnes rozpoznáváme na hranici rozlišení optického mikroskopu. Jinými slovy, už první mikroskopy dosáhly limitu, jaký světlo jako okno do mikrosvěta přináší.

Promítnutí pohledu na světlo do umělecké tvorby

Dalším fascinujícím objevem této éry vědeckých průlomů bylo první opravdové změření rychlosti světla. Ole Rømer geniálně využil faktu, že periody astronomických jevů lze měřit velmi přesně i bez nutnosti přesných hodin, a to jednoduše dostatečnou délkou pozorování. Sledováním změn v periodě zatmění Jupiteru, i přes nesmírnou rychlost, jakou se světlo pohybuje, byla tato hodnota správně odhadnuta na přibližně 300 000 kilometrů za sekundu. Lidstvo následně muselo čekat téměř 200 let na laboratorní ověření, které ukázalo, že tato hodnota se liší od té exaktní o méně než jedno procento.

Ole Romer a princip jeho pozorování periody oběhů jupiterových měsíců

Nenápadným, ale velmi důležitým objevem této doby bylo zjištění, že sluneční světlo obsahuje složky za hranicí barev, které okem vidíme. Od té doby je označujeme jako infračervené a ultrafialové paprsky. William Herschel si současně povšiml, že infračervené paprsky mají silně tepelné vlastnosti, naopak ultrafialové paprsky mění chemickou strukturu látek.

Znázornění principu rozkladu světla na hranolu a s ním spojený objev infračervené oblasti elektromagnetického spektra Williama Herschela

Následující století bylo stoletím sporu o to, zda je světlo povahy vlnové, anebo částicové. Každá z těchto teorií měla na svojí straně jednoho velikána. Vlnovou teorii prosazoval Christiaan Huygens, a korpuskulární (částicovou) pak nikdo menší než Isaac Newton. Difrakční experimenty jasně ukazují interferenční povahu světla, takže až do začátku dvacátého století se zdálo, že Newton se mýlil a světlo je vlněním. Tento názor byl posilněn jedním z největších průlomů v teoretické fyzice, když se J. C. Maxwellovi podařilo zformulovat úplné zákony elektrodynamiky ve formě slavných Maxwellových rovnic.

Maxwell dokázal, že rovnice se dají převést do formy analogické vlnové rovnici. To dalo do souvislosti elektrické konstanty a rychlost světla. A ukázalo se, že světlo není nic jiného než vlnová manifestace elektromagnetických vln. Světlo lze chápat jako proces, při kterém magnetické a elektrické pole periodicky stimulují jedno druhé.

Čtyři základní Maxwellovy rovnice známé jako Coulombův, Ampérův a Faradayův zákon doplněné o zákon vyjadřující neexistenci magnetických monopolů

Čtyři základní Maxwellovy rovnice s jejich vyobrazeným fyzikálním významem

A nebylo to nic jiného než další studium podstaty světelného záření, které vedlo k objevení mezer v tzv. „klasickém fyzikálním“ pojetí světa. Fyzika nedokázala vysvětlit, proč horké předměty nezáří primárně v oblasti krátkých vlnových délek. Existující teorie dobře pasovaly na experimenty v oblasti dlouhých vlnových délek světla, ale absolutně selhávaly v ultrafialové oblasti. Až právě Max Planck přišel na to, že správná rovnice popisující toto záření dává smysl pouze za předpokladu, že energie se mezi hmotou a světlem předává v kvantech energie a nikoli spojitě.

Popis záření absolutně černého tělesa pomocí Planckova vyzařovacího zákona

Na jiné frontě absolutní selhaní pokusů zachytit změnu v rychlosti světla v závislosti na rychlosti experimentální aparatury vedlo Alberta Einsteina k formulaci speciální teorie relativity. A ten samý génius přišel s objevem, že fotoelektrický jev, kdy ionizace materiálu není závislá na intenzitě, ale spíše na vlnové délce světla, lze vysvětlit tak, že světlo samotné se skládá z balíčků energie, kterým dnes říkáme fotony. Toto zjištění naopak posloužilo ke správné interpretaci vyzařovaných spekter atomů a formulaci první kvantové teorie atomu.

Popsáním stimulované emise pak bylo lidstvo jen krůček od sestavení funkčního prototypu laseru. LASER (zkratka anglické formulace výrazu „světelný zesilovač na bázi stimulované emise světla“) je tedy jakýsi transistor, který místo zesilování elektrického proudu elektronů zesiluje elektrodynamický proud fotonů. Hlavní silou LASERU je fakt, že produkuje veliké množství fotonů, které jsou téměř všechny v identickém kvantovém stavu. Tato fráze může znamenat hodně a taky tomu tak je, laserů existuje nespočet druhů. Častá chyba zjednodušených textů je, že laser vyzařuje dokonale monochromatické světlo. To platilo pro první lasery. Nicméně dnes existují i lasery, které produkují dokonale bílé světlo. Pořád se tyto zdroje fundamentálně i prakticky liší od lampy tím, že všechny „bílé fotony“ jsou svými dvojčaty.

Albert Einstein a popis principu stimulované emise jako základu pro konstrukci laseru

LASER (zkratka anglické formulace výrazu „světelný zesilovač na bázi stimulované emise světla“) je tedy jakýsi transistor, který místo zesilování elektrického proudu elektronů zesiluje elektrodynamický proud fotonů. Hlavní silou LASERU je fakt, že produkuje veliké množství fotonů, které jsou téměř všechny v identickém kvantovém stavu. Tato fráze může znamenat hodně a taky tomu tak je, laserů existuje nespočet druhů. Častá chyba zjednodušených textů je, že laser vyzařuje dokonale monochromatické světlo. To platilo pro první lasery. Nicméně dnes existují i lasery, které produkují dokonale bílé světlo. Pořád se tyto zdroje fundamentálně i prakticky liší od lampy tím, že všechny „bílé fotony“ jsou svými dvojčaty. Více o funkci laseru lze nalézt v samostatné kapitole ve studovně.

Laserová centra

By |

Laserové centrum HiLASE

Laserové centrum HiLASE se nachází v Dolních Břežanech u Prahy a je součástí největšího ústavu Akademie věd České republiky, Fyzikálního ústavu AV ČR. Budova HiLASE byla postavena roku 2014. Superlasery pro skutečný svět – to je hlavní poslání centra HiLASE. Centrum HiLASE představuje špičkový výzkum na mezinárodní úrovni. Klade důraz nejen na excelentní výzkum, ale rovněž na vývoj inovativních technologií přínosných pro společnost a průmysl.

Zaměřením na aplikace a využití v průmyslu se HiLASE výrazně odlišuje od ostatních laboratoří zabývajících se experimentálním výzkumem v oblasti laserové fyziky. Tým HiLASE se věnuje experimentálnímu vývoji zcela nové generace diodově čerpaných pevnolátkových laserů s vysokou energií v pulzu nebo vysokou opakovací frekvencí. Lasery s takto průlomovými technickými parametry dosud neexistují v žádné laboratoři ve světě ani ve formě prototypů. Díky progresivní technologii diodového čerpání jsou podstatně silnější, výkonnější, kompaktnější a stabilnější než zařízení, která jsou v současné době dostupná. Při sestavování laserů Laserové centrum HiLASE spolupracuje např. s univerzitami a výzkumnými institucemi v Japonsku, Jižní Koreji, Itálii či Španělsku.

V rámci HiLASE jsou vyvinuty dva technologické koncepty laserů:

Perla

Jedná se o mili-J piko-sekundový pulzní laserový system čerpaný diodami na bázi tenkých disků s možností rozšíření až na kW průměrného výkonu – zvaný PERLA. PERLA patří mezi tzv. pulzní lasery. Na rozdíl od kontinuálních laserů, známých např. z ukazovátek, které vysílají jeden spojitý, nepřerušovaný paprsek, pulzní lasery vysílají krátké impulzy laserového světla – energie se nejprve určitou dobu akumuluje, a pak vystřelí paprsek, který má v důsledku toho vyšší špičkový výkon. Pulzy u systému PERLA jsou velice krátké, trvají v řádu pikosekund, takže na rozdíl od kontinuálních laserů nezpůsobují tavení (opálení) materiálu. Díky tomu třeba při řezání nebo vrtání nevznikají mikrotrhliny a otvor je velice čistý. Tímto způsobem se dají dělat různé vodoodpudivé povrchy nebo tvořit mřížky – to se využívá například pro výrobu solárních panelů nebo LCD obrazovek.

Bivoj

Dále je to kilowattový nanosekundový pulzní laserový systém s energií v pulzu až 100 J s plánovaným upgradem na 150 J – zvaný BIVOJ. BIVOJ je první laser na světě, který přesáhl výkon jednoho kilowattu ve svazku s vysokou energií. K tomuto cíli se vědci snažili dostat už od konce 90. let, podařilo se to nakonec v laserovém centru HiLASE v Dolních Břežanech 16. prosince roku 2016. Průměrný výkon BIVOJE by se dal přirovnat k rychlovarné konvici. Špičkový výkon by se dal poměřit s průměrným výkonem atomové elektrárny. BIVOJ byl navržet a zkonstruován v britské Central Laser Facility (součást STFC, Rutherford Appleton Laboratory), má velikost 3 x 18 m.

V centru HiLASE jsou tyto jedinečné světelné zdroje využívány pro širokou škálu špičkových průmyslových aplikací, a to zejména pro:

  • Laser shock peening (LSP) – vytvrzování materiálů rázovou vlnou. Touto metodou je možné zacelit (zejména na kovech a slitinách) i ty nejmenší trhlinky, takže je materiál mnohem pevnější a vydrží několikanásobně větší opotřebení. Toho se využívá zejména v leteckém průmyslu, např. při výrobě turbín, nebo pro výrobu některých součástí jaderných reaktorů, tedy všude, kde dochází k extrémnímu namáhání kovových částic.
  • Laser – Inducted Demage Testing (LIDT) – měření odolnosti povrchu optických komponentů používaných v laserových laboratořích. Optické komponenty jsou díky laserům s vysokým výkonem otestovány a výrobci je poskytnuta certifikace

Laserové mikroobrábění a funkcionalizace povrchů

  • Řezání, vrtání, sváření, gravírování, laserové čištění a značení kovů, plastů, skla, keramiky, kompozitních materiálů a dalších materiálů
  • Tvorba funkčních povrchů: Vhodně vytvořené nano a mikro struktury na povrchu materiálu mohou vést ke změně povrchových vlastností jako je redukce tření, odpuzování vody, ledofóbní povrchy, antibakteriální povrchy a další. Mezi další aplikace patří např. změna barvy laserovým zářením.
  • Mnohosvazkové obrábění a proces development: Výzkum a vývoj nových procesních strategií pro zrychlení a zefektivnění současných procesů s využitím několikasvazkového mikroobrábění. Počet svazků, jejich velikost, tvar a rozložení intenzity může být libovolně měněn i během samotného obrábění.

V Laserovém centru HiLASE pracuje v současné době téměř 100 zaměstnanců. Jedná se skutečně o mezinárodní tým. Více než polovinu tvoří vědci, z nichž jsou více než 50% cizinci.

HiLASE úzce spolupracuje s širokou skupinou strategických partnerů z vědecké, akademické a průmyslové sféry. Dlouhodobým cílem centra je nadále budovat a posilovat zapojení na lokální i mezinárodní úrovni, pokračovat v rozšiřování mezinárodního portfolia strategických partnerství s výzkumnými institucemi, univerzitami a firmami.

ELI Beamlines

Centrum ELI Beamlines je součástí evropské výzkumné infrastruktury ELI (Extreme Light Infrastructure) a součástí plánu Evropského strategického fóra pro výzkumné infrastruktury (ESFRI).

Centrum ELI zahrnuje několik pracovišť a doplňkových zařízení umístěných na území České republiky, Maďarska a Rumunska jako součást evropské výzkumné infrastruktury ELI (Extreme Light Infrastructure) a součástí plánu Evropského strategického fóra pro výzkumné infrastruktury (ESFRI). Zabývá se zkoumáním interakce světla s hmotou při nejvyšších intenzitách a nejkratších časových rozpětích.

Centrum ELI Beamlines se nachází v Dolních Břežanech ve Středočeském kraji, nedaleko Hlavního města Prahy. Klade si za cíl zřídit a dlouhodobě provozovat nejintenzivnější laserový systém na světě. Díky ultravysokým výkonům 10 PW (1 petawatt = 1,000,000,000,000,000 wattů) a soustředěným intenzitám až 1024 W/cm2 nabídne svým uživatelům jedinečný zdroj záření a paprsků urychlených částic. Tyto tzv. beamlines umožní průkopnický výzkum nejen v oblasti fyziky a vědy o materiálech, ale také v biomedicíně a laboratorní astrofyzice a mnoha dalších oborech.

V centru ELI Beamlines jsou čtyři laserové haly a šest experimentálních hal. Laserové systémy budou fungovat ve vzájemné součinnosti a právě toto propojení je unikátní a díky němu lze provádět zcela nové typy experimentů a realizovat výzkumné a aplikační projekty zahrnující interakci světla s hmotou.

ELI Beamlines nabídne vědecké komunitě všestrannou technologii z pohledu energie, opakovací frekvence, či výkonu na jednom místě a umožní tak získání nových poznatků potenciálně využitelných v mnoha oborech přes fyziku, chemii, biologii, medicínu až po materiálové inženýrství nebo astronomii. Kromě základního výzkumu a vývoje v oblasti laserů se ELI Beamlines věnuje také aplikovanému výzkumu, který se zabývá řešením široké škály otázek od zlepšení onkologické léčby, lékařské zobrazovací techniky nebo rychlé elektroniky, přes studium stárnutí materiálů jaderného reaktoru, až po vývoj nových metod zpracování jaderného odpadu. Laserový systém L4 směřuje se svým plánovaným výkonem až 10 PW k tomu být nejvýkonnějším laserem na světě.

ELI Beamlines je uživatelské centrum. Nabízí tedy své unikátní technologie uživatelům, konkrétně vědeckým skupinám, které předkládají návrhy a na základě jejich vyhodnocení je jim poskytnut experimentální čas. Vedle toho se ELI Beamlines cíleně soustředí také na popularizační činnost. Chce zprostředkovat výsledky své práce široké veřejnosti, a proto věnuje velké úsilí spolupráci se školami, pořádání popularizačně naučných akcí, dnů otevřených dní apod. Chce oslovit laickou i odbornou veřejnost a pomoci vychovat další generaci vědeckých pracovníků.

Mimo vědecké projekty laserová centra pořádají řadu akcí pro veřejnost formou dnů pro veřejnost nebo se podílí na celosvětovém dni světla. Pro nadané středoškolské studenty je navíc zprostředkovaný program Talentové akademie, který umožňuje dvanácti studentům navštěvovat vývojové laboratoře a podílet se na probíhajícím výzkumu. Pro vysokoškolské studenty a vědecké pracovníky jsou pak vypisována volná místa, jejichž aktuální přehled lze získat na stránkách jednotlivých center HiLASE a ELI Beamlines.

Laserové aplikace

By |

Lasery jako supernástroj člověka mají v dnešní době uplatnění v moha oblastech lidské činnosti, díky unikátnostem, které v sobě laserové záření skrývá. Mezi tyto vlastnosti můžeme řadit zejména monochromatičnost – tedy to, že záření má stejnou vlnovou délku, malou rozbíhavost, což nám umožňuje tenký laserový svazek převádět na velkou vzdálenost bez toho, aby podstatně měnil geometrii svého profilu, a také je nutné zmínit koherenci laserového záření, která vyjadřuje spojitost šířící se vlny.

Mezi důležité informace pro různé druhy aplikací patří nejenom vlnová délka záření, tedy, ale také to, jak krátké laserové pulzy může laser produkovat a jakou v nich můžeme přenášet energii. V dnešní době je již běžné setkat se s kontinuálními lasery, které produkují záření prakticky bez přestávky (například laserové ukazovátko) až po jednotky femtosekund, což představuje hodnotu 10-15 s. Pokud se zaměříme na konkrétní laserové aplikace, mohli bychom určitě najít mnoho způsobů jejich dělení. Alespoň některé z nich se pokusíme přiblížit a pro jednoduchost rozdělíme jejich využití do tří následujících kategorií a to v průmyslu, medícíně a ve vědě.

V první části se tak zaměříme na průmyslové aplikace. Jak jsme již zmínili na začátku, laserový paprsek může přenášet značné množství energie a proto je možné fokusovaným laserovým paprskem řezat celou řadu komponentů z různých materiálů od trubek, nosníků, kovových plechů, plastů nebo dřeva. Výhodou je vysoká přesnost, rychlost a především čistota řezů.

K řezání a svařování se používají vysokovýkonné CO 2 lasery (10,6 μm) a Nd:YAG lasery (1064 nm), kdy hodnota v závorkách udává pracovní vlnovou délku laseru. Řezaný materiál je lokálně nataven laserovým svazkem a následně odfouknut tryskou s asistenčním plynem, což bývá obvykle dusík, kyslík nebo argon. Laserové svařování se provádí metodou tzv. klíčové dírky, kdy při počáteční interakci laserového paprsku je procesem odpaření materiálu vytvořena kavita, neboli dutina (klíčová dírka), jejíž stěny jsou tvořeny roztaveným materiálem. Tento roztavený materiál postupně zaplňuje dutinu za pohybujícím se laserovým paprskem. Samotný průběh tohoto procesu můžete vidět na přiloženém videu.

Další možností je, že nebudeme chtít materiál přímo oddělit, ale pouze provést nějaké specifické úpravy na jeho povrchu a tak zlepšit jeho vlastnosti. Mezi tyto procesy patří například laserové gravírování a mikroobrábění. Při laserovém gravírování je odpařením odebrána tenká vrstva materiálu z povrchu. Takto lze laserem opracovat ocel, hliník, nerez, měď, zlato a další kovy, ale i dřevo a sklo. Záleží čistě jen na nastavení laserového zařízení, kdy se nejčastěji opět používají CO 2 lasery pro dřevo a sklo, nebo Nd:YVO 4 lasery pro plasty a řadu kovů. Při použití velmi krátkých laserových impulzů v řádech femtosekund je možný tzv. studený proces (Cold Processing), kdy je materiál odpařen bez vedlejších tepelných
účinků. Takto je například možné gravírovat i hlavičku sirky, aniž by se zapálila. Mikroobrábění je souhrnný název pro technologie s cílem přesného opracování materiálu, například příprava hydrofilních (smáčivých), hydrofobních (nesmáčivých) a biokompatibilních povrchů, jejich texturování, modifikace koeficientu tření apod. Funkcionalitu hydrofobních povrchu lze opět shlédnout na videu.

Mimo výše zmíněné metody, kdy se laser používá k deformaci povrchu, nebo přímo k řezání a sváření, můžeme při použití výkonných krátkých fokusovaných pulsů přesně odpařovat pouze tenkou povrchovou vrstvu nečistot z kovově součástky, aniž by došlo k porušení původního povrchu. Při jemném ladění hustot výkonu laserového svazku je tak možné dostáhnout optimálního vyčištění, které by bylo jinými metodami nedosažitelné. K tomuto účelu se nejčastěji používají Nd:YAG lasery (1064 nm) nebo vláknové lasery a pomocí nich se úspěšně odstraňuje rez, mastné nečistoty nebo se s jejich pomocí restaurují staré umělecké památky. Některé příklady můžete opět vidět v naší videotéce.

Z předchozího textu by se mohlo zdát, že se lasery v průmyslové praxi hodí pouze v případě, kdy je zapotřebí odstranit nějakou část materiálu nebo ho jinak modikovat, avšak i v průmyslu se lasery využívají k několika dalším zajímavým účelům, kdy není jejich prvotním smyslem materiál deformovat/ničit. Jedním z příkladů je metoda laserového vyklepávání LSP, což je technologie používaná k vytvrzování namáhaných součástek s cílem prodloužení jejich životnosti. Pomocí vysokoenergetického laserového impulzu je na povrchu materiálu vytvořeno plazma, které generuje lokální šokovou vlnu, která se může šířit do hloubky materiálu a při svém průchodu tento materiál stlačovat a zanechávat v něm zbytkové tlakové napětí. Jelikož je tato metoda značně nákladná, používá se v průmyslu například k vytvrzování lopatek turbín, zpevnění svárů u parogenerátorů a v jaderných elektrárnách. Doplňující video najdete v naší videotéce.

Jednou z dalších vyvinutých aplikací je metoda 3D tisku z kovu, neboli tzv. selektivní laserové sintrování SLS (Selective laser sintering). Laserový svazek lokálně taví kovový prášek a po jednotlivých vrstvách tak dává vzniknout vysoce přesnému výrobku. V podstatě se touto metodou dají tisknout různé tvary, které by byly jinak velmi obtížné na výrobu klasickou technologií. Krátkou ukázku můžete najít pod textem níže, avšak doporučujeme navštívit i naši videotéku, kde je delší vysvětlení celého principu.

Pomocí vysokovýkonných krátkeých fokusovaných pulzů lze přesně odpařit tenkou vrstvu nečistot z povrchu kovové součástky aniž by došlo k porušení původního povrchu. Jemnou změnou hustoty výkonu laserového svazku je dále možné dosáhnout optimálního vyčištění, které jinými metodami není dosažitelné. Pro tyto aplikace se používají především lasery typu Nd:YAG (1064 nm) nebo vláknové lasery. Laserové čištění se používá k odstranění rzi, mastných nečistot, restaurování uměleckých předmětů.

Mimo odstranění nečistot lze dále laserový svazek využít k vytvrzování povrchu materiálů pomocí metody laserového vyklepávání (LSP). LSP (Laser shock Peening) je technologie používaná k vytvrzování namáhaných součástek s cílem prodloužit jejich životnost. Pomocí vysokoenergetického laserového impulzu je na povrchu materiálu vytvořena plazma, ta generuje šokovou vlnu, která se šíří do hloubky a materiál stlačuje – zanechává v něm zbytkové tlakové napětí. Tato metoda se díky své finanční náročnosti používá hlavně v průmyslu při vytvrzování lopatek turbín, zpevnění svárů u parogenerátorů v jaderných elektrárnách atd. Video z vývoje v jednom z tuzemských laserových centrech lze shlédnout v naší videotéce.

Mimo čistě průmyslové aplikace pak lasery nachází široké uplatnění v medicíně. Mezi hlavní medicínské obory a aplikace lze uvést například:

Lasery v oftalmologii

  • K odstranění dioptrií a astigmatismu se používají femtosekundové lasery. Zákrok probíhá tak, že laserový svazek pod svrchní vrstvou oka nejprve odseparuje vhodné části rohovky, ty pak chirurg malým řezem vytáhne ven. Výsledné zakřivení rohovky pak odpovídá zdravému oku. Průběh operace oka lze vidět na videu níže.
  • Glaukom nebo-li zelený zákal je onemocnění, při kterém dochází ke zvýšení nitroočního tlaku. Tento průběh si bohužel pacienti neuvědomí až do chvíle, kdy dojde k omezení funkčnosti jejich zraku. Zákrok jinak zvaný také jako laserová iridotomie pak pomocí laseru umožňuje vytvořit otvor v duhovce, který pomůže vyrovnat tlak mezi přední a zadní komorou oka.
  • Laserová koagulace sítnice je jedinou známou metodou léčby diabetické retinopatie, což je onemocnění oka, při kterém dochází k nekróze buněk sítnice a to v důsledku hypertenze v oční bulvě. Pacient vidí tmavé skvrny v zorném poli a jeho vidění je rozostřené. Toto onemocnění postihuje pacienty trpící hyperglykemií tj. vysokou hladinou cukru v krvi.

Lasery v chirurgii

  • Neurochirurgie je odnož chirurgie s extrémními požadavky na přesnost operačních zákroků z důvodů komplikované struktury a zranitelnosti mozku. Při operacích nádorů na mozku se používá Nd:YAG laser (1064 nm), díky efektivní koagulaci kdy zaastaví krvácení. Taktéž se používá CO2 laser (10,2 μm), jehož záření sice nemá takovou schopnost koagulace, zato je mozkovou tkání lépe absorbováno. Laserem lze řezat, koagulovat (srážet) či odpařovat tkáň bez nutnosti fyzického kontaktu s ní. Tyto přednosti snižují riziko pozdější infekce a dalších komplikací
  • V kardiochirurgii se lasery užívají při léčbě ischemické choroby srdeční, při které dochází k nedokrvení srdečního svalu, které je způsobeno ukládáním tuku do cév.

Lasery v dermatologii

  • Lasery se například používají při odstranění tetování. Interakcí záření s hmotou zvané fotodisrupce – kdy je laserový svazek zaostřen do jednoho bodu dochází ke koncentraci energie, a tím je narušení původního tetování. Tetovací inkoust pod povrchem svrchní části kůže (epidermis) se rozpadá a tetování. Odstranění barevného tetování bývá obecně více problematické, jelikož jednotlivé tetovací inkousty se rozpadají pod vlivem záření různé barvy. Odstranění se provádí výkonnými pulzními lasery Nd:YAG (1064 nm) nebo Alexandritový laser (755 nm). Průběh zákroku lze sledovat na videu níže.
  • Laserem lze taktéž působit na vyhlazování vrásek. Vrásky vznikají ztrátou elasticity pokožky opakovaným stažením mimických svalù. Přesně cílený laserový svazek odabluje (odstraňuje) tkáň v bezprostředním okolí záhybu (vrásky). Zbylé části pokožky následně srůstají bez vzniku jizev. K odstranění vrásek se používá např. erbiový laser. Další metodou laserového omlazení je tzv. rejuvenace, kdy se tepelným narušením kolagenu v kůži aktivuje proces hojení a tvorba nových, pružnějších kolagenových vláken, což vede celkově ke zvýšení elasticity pokožky a redukci vrásek.
  • Mezi další aplikace v dermatologii lze zařadit například laserovou depilaci (Alexandriový laser, 755 nm) nebo termickou nekrózu potových žláz, čímž lze značně redukovat akné. Pro tento účel se používá laserová dioda o vlnové délce 1450 nm.

Lasery ve stomatologii

Srovnání laserového vrtání do zubu s použitím různých vlnových délek.

  • Odstranění zubního kazu může být kromě klasické zubní vrtačky provedeno i přesnými lasery o vlnové délce 755 nm. K tomuto účelu se používá například erbiový laser. Závislost použité vlnové záření na povrchových změnách zubu lze sledovat na obrázku.
  • Ošetřením kořenových kanálků u zubů, u kterých došlo následkem pokročilého zuního kazu k destrukci zubní korunky se zabývá obor endodoncie. Při hermetickém uzavření zubních kanálků se zabraňuje přístupu bakterií z dutiny ústní. Následně se pomocí laserového záření redukuje počet zbytkových mikrobiálních patogenů, a to až se stoprocentní účinností.

Lasery samozřejmě nachází široké uplatnění ve vědě. V roce 2018 byla za dvě tyto realizace (Optická pinzeta a metoda generace vysokoenergetických půlzů) dokonce udělana Nobelova cena za Fyziku.

Optická pinzeta je metoda neinvazivní, bezkontaktní manipulace s drobnými částicemi, např. bakteriemi, viry či živými buňkami pomocí tlaku optického záření. Myšlenka, že i světelné záření vyvíjí tlak, byla publikována již roku 1619 Johannesem Keplerem, který tímto vysvětlil pozorování směřování ocas komet vždy směrem od Slunce. S vynálezem laseru roku 1960 bylo možné studovat tlak záření intenzivního kolimovaného světelného svazku. Průkopníkem v této oblasti byl Arthur Ashkin, který poprvé postavil optickou pinzetu roku 1970 a letos za tento vynález spoluobdržel Nobelovu cenu za fyziku.

Chirped Pulse Amplification (CPA) je metoda generace vysokoenergetických piko až femtosekundových impulzů. Krátký laserový impulz je nejprve roztažen v čase , zesílen v aktivním prostředí aniž by došlo k jeho poškození a následně zpětně zkrácen. Tuto myšlenku se poprvé podařilo zrealizovat v roce 1985 v Donně Strickland a Gérardovi Mourou. Spolu s A. Ashkinem pak za tento objev obdrželi v roce 2018 Nobelovu cenu za fyziku.

Další aplikace laserů lze samozřejmě hledat kdekoliv v našem okolí a dostali se i mimo naši planetu. Využívají se například pro měření vzdálenosti mezi Zemí a Měsícem, kde byla umístěna odrazivá zrcadla a skrze zpoždění laserového svazku lze určit jejich reálnou vzdálenost, či jako součást sond brázdících povrch Marsu pomáhají studovat složení tamních hornin.

Měření vzdálenosti Země – Měsíc pomocí laserů a zrcadel, které byly umístěny na povrch Měsíce v rámci mise Apollo 14.