Česky
JANA OLIVOVÁ
Obecně už je známo, že v naší republice vzniká mezinárodní centrum s nejmodernějšími laserovými systémy: unikátní laserová infrastruktura pro špičkový výzkum v řadě oblastí i pro mezioborové aplikace ELI Beamlines je jedním ze tří pilířů ambiciózního evropského vědeckého projektu ELI (Extreme Light Infrastructure). Pro Českou republiku to však zdaleka nebude začátek od nuly: čeští, respektive českoslovenští badatelé se zapojili do laserového výzkumu od samého začátku.
Všechna fota: Stanislava Kyselová, Akademický bulletin
Francouzský fyzik a vizionář ve využívání laserů o špičkových výkonech Gerard Mourou (vlevo) navštívil ve dnech 24.–26. března 2015 Prahu. Při této příležitosti přednesl v budově AV ČR na Národní třídě přednášku o laserech o výkonu v řádech zetawattů a jako hlavní propagátor celoevropského projektu ELI (Extreme Light Infrastructure) zavítal také na stavbu v Dolních Břežanech.
Laserová technika se u nás objevila brzy po spuštění prvního funkčního laseru vůbec: již v roce 1963 ve Fyzikálním ústavu, v Ústavu fotoniky a elektroniky AV ČR (tehdy Ústav radiotechniky a elektroniky) a ve Výzkumném ústavu spojů. Lasery ihned začaly sloužit badatelům nejen k teoretickým výzkumům, ale i k hledání praktických aplikací: už v roce 1964 byla s přístrojem v Ústavu radiotechniky a elektroniky provedena první oční operace.
Bouřlivým tempem se vyvíjela široká škála typů laserů lišících se aktivním prostředím (pevnolátkové, plynové, polovodičové, kapalinové…), režimem práce (pulzní, kontinuální vysílající paprsek spojitý, kvazikontinuální), vlnovou délkou záření (emitují záření v oblasti viditelného světla, ale i v infračerveném, ultrafialovém a rentgenovém oboru spektra). Současné lasery mají i různé způsoby čerpání energie (optickým zářením, elektrickým polem, chemickou reakcí, elektronovým svazkem atd.). Obrovský vědecký přínos i rozsáhlé aplikace znamenalo zkracování laserových pulzů – od původních milisekundových až k pulzům femtosekundovým.
Čeští vědci nezůstali stát stranou: z doby nejnovější zmiňme alespoň Ústav fotoniky a elektroniky, kde pracují na tzv. vláknových laserech, které v sobě spojují lasery a optická vlákna sloužící pro přenos informací, a rovněž 25-TW Ti:safírový laser vybudovaný před několika lety Fyzikálním ústavem v badatelském centru PALS.
Toto centrum, jehož základním experimentálním zařízením se stal výkonový pulzní laserový systém Asterix IV, založila na přelomu tisíciletí dvě pracoviště Akademie věd – Fyzikální ústav a Ústav fyziky plazmatu. PALS nabídl odborníkům z celé Evropy možnost provádět experimenty týkající se takových témat, jako je výzkum laserového plazmatu, využití laseru pro biologické experimenty, v medicíně, v materiálovém výzkumu apod.
Fyzikální ústav se v současné době věnuje technologickému vývoji laserů pro průmyslové a medicínské aplikace, pro účinné obrábění a nanostrukturování materiálů nebo pro metrologii multivrstvé rentgenové optiky. Podílí se i na přípravě nových laserových systémů v rámci významného projektu laserového centra HiLASE, které bylo vloni slavnostně otevřeno v Dolních Břežanech u Prahy. Je zaměřeno na vývoj a testování špičkových laserů s vysokou opakovací frekvencí a laserových technologií nové generace.
Ne náhodou proto zařízení HiLASE stojí v těsné blízkosti budovaného centra ELI Beamlines, které samo bude sestávat z velké a složité soustavy laserových, optických, vakuových a elektronických systémů a podsystémů, jež mají přinést přelomové výsledky v oblasti molekulárních, biomedicínských a materiálových věd. Nesmírně krátké a nesmírně intenzivní pulzy generované laserovými systémy ELI Beamlines mají poskytnout platformu pro celou řadu programů základního výzkumu: studium interakcí laserového záření s hmotou v zatím neprobádané oblasti intenzit, zkoumání vlastností hmoty v extrémních podmínkách, pod vlivem velkých tlaků a teplot atd.
Foto: Stanislava Kyselová, Akademický bulletin
profesor Gerard Mourou z pařížské École Polytechnique
Možnost podívat se, jak pokračuje budování nejvýkonnějšího laserového centra světa, si při své návštěvě České republiky nenechal ujít hlavní iniciátor a koordinátor přípravné fáze projektu ELI profesor Gerard Mourou z pařížské École Polytechnique, ředitel Mezinárodního centra pro zettawattovou a exawattovou vědu a technologie – IZEST, který řadu let pracoval i na univerzitách v USA. Jeho vědecké poznatky v oblasti ultrakrátkých laserových pulzů našly široké využití: femtosekundové lasery slouží zejména v očním lékařství při operacích dioptrických vad, transplantaci rohovky atd.
Gerard Mourou je rovněž spoluobjevitelem (spolu s Donnou Strickland) techniky, na níž jsou založeny krátkopulzní lasery v budovaném centru ELI Beamlines: totiž tzv. chirped pulse amplification (CPA), která se používá k zesílení ultrakrátkých laserových pulzů a umožnila skokově zvýšit výkon velkých laserových zařízení. Právě ultrakrátké laserové pulzy produkované v ELI Beamlines umožní vytvořit experimentálně zatím nedosažitelné intenzity polí pro hledání odpovědí na celou řadu zásadních teoretických otázek, jež se dosavadními prostředky nedají řešit. Přispějí například k pokroku v zobrazování mikrosvěta a umožní studovat základní kvantově elektrodynamické jevy a procesy, stavbu a strukturu vakua atd.
Snímek z prezentace prof. Gerarda Mourou
Gerard Mourou se však dívá dál do budoucnosti a předpovídá široké využití laserů o špičkových výkonech až v řádech zettawattů neboli neuvěřitelných 1021 W. Není proto divu, že se tento fyzik přijel podívat na stavbu ELI Beamlines v Dolních Břežanech – jejichž jméno, jak s úsměvem přiznal, není schopen vyslovit. „Opravdu mě potěšilo vidět, že se můj sen v zásadě plní. Skutečnost byla daleko lepší, než jsem očekával. Staví se tam opravdu nádherná infrastruktura, v níž se bude provádět nový typ vědy.“
Co přesně novým typem vědy míníte?
V zásadě se tam bude zkoumat řada efektů, které se zatím studovaly pomocí konvenčních urychlovačů částic využívajících elektronů, protonů atp. My ale teď budeme používat lasery a pracovat s fotony.
Co to znamená z vědeckého pohledu? Jaké to představuje výhody?
V první řadě může být příslušné zařízení daleko kompaktnější – a dále samozřejmě zkoumané interakce laserového záření s hmotou mohou být velice odlišné a vést k nové fyzice. V některých případech mohou být i praktické aplikace daleko jednodušší a levnější. Jako jeden z příkladů jsem zmiňoval přeměnu – transmutaci – jaderného odpadu: místo využívání typických urychlovačů, které jsou dlouhé třeba kilometr, se může použít laserový urychlovač jen asi desetimetrový, tedy daleko menší.
V přednášce v Akademii věd jste se ale díval daleko do budoucnosti, za infrastrukturu ELI. Kdy očekáváte dokonce ještě kratší, zeptosekundové pulzy. Co je potřeba k jejich dosažení?
Vyžadují právě typ zařízení, které se teď staví jižně od Prahy. Lasery, které se tam budují, se dají využít k vytváření daleko kratších pulzů a s daleko vyšší energií než dosud. Proto mohou sloužit například k výzkumu vakua. Vakuum je nejdůležitější médium, které máme, protože z něj všechno pochází a jsou v něm zapsány veškeré fyzikální zákony. Takže mu musíme porozumět.
A jak by v tom měly pomoci zeptosekundové lasery?
Mohou posloužit tím, že se pokusí napodobit děje, které probíhaly v počátcích vesmíru. Můžeme vytvořit situaci, kdy v jednom okamžiku z vakua – a vakuum samozřejmě není nicota – vzniklo a zhmotnilo se světlo. A tento typ výzkumů se budeme snažit dělat s ultrakrátkými a mimořádně intenzivními impulzy světla. Jelikož, jak jsem řekl, vakuum není nicota, vznikají a zanikají tam tzv. virtuální částice, dochází tam k tzv. kvantovým fluktuacím, které nevidíte. Laser vytvářející extrémně silné elektrické pole do vakua „nakoukne“. Můžeme jím takříkajíc rozbít vakuum, abychom pochopili jeho složení.
Také očekáváte, že ultrakrátké laserové pulzy pomohou odhalit jednu z největších záhad dneška, temnou hmotu a její podstatu. Proč a jak?
Víme, že temná hmota existuje – ale nevidíme ji. Je to podobné jako kvantové fluktuace nebo záření. Existují experimenty naznačující, že použitím vysokointenzivních laserů ji můžeme odhalit.
Tato očekávání jsou opravdu veliká, jaké překážky je třeba překonat k jejich uskutečnění?
Prostě potřebujeme mít tyto ultraintenzivní lasery, provádět s nimi experimenty a snažit se testovat své hypotézy. Navrhujeme experimenty, které by mohly potvrdit ten či onen jev. Fyzika a naše znalosti obecně se skládají z cihel – a každé z těch cihel je potřeba dokonale porozumět, jinak budeme stavět zeď, která není moc pevná, a nemůže být tedy ani moc vysoká.