Fyzikální ústav nositelem významného laserového projektu EU

Nic lépe nesymbolizuje epochálnost vynálezu laseru před 50 lety než skutečnost, že momentálně se na světě staví dva obří laserové systémy s neodymovým sklem, každý dávající necelé 2 MJ světelné energie v impulsu dlouhém několik nanosekund (ns) na vlnové délce v blízké UV oblasti za účelem demonstrace termonukleárního mikrovýbuchu neboli inerciální fúze. Jsou to v USA v Livermore právě spouštěný systém National Ignition Facility NIF a ve Francii v Le Barp u Bordeaux rozestavěný Laser Megajoule LMJ. Při plné energii budou schopny dát několik výstřelů denně. Jejich účelem není výroba energie, ale neutronů, které mají po zákazu zkoušek nukleárních zbraní nahradit chybějící experimentální možnosti pro vojenský výzkum. Tato obrovitá zařízení by mohla být zmenšena (asi 10×) pokud by se podařilo oddělit fázi stlačení termonukleárního paliva od jeho zapálení, což by ovšem vyžadovalo další pomocný laser dávající několik desítek kJ v pikosekundovém impulsu pro systém tzv. rychlého zapálení. Ani ten ale neřeší potíž s nízkou opakovací frekvencí a chabou účinností dosud bránící využití takových systémů k rentabilní výrobě elektrické energie. Ta by vyžadovala opakování mikrovýbuchu nejméně 5× za vteřinu a účinnost převodu elektrické do světelné energie kolem 10 % v použitých laserech.

K odstranění dosavadní nedostatečnosti velkých laserů coby pomůcky v zařízeních pro inerciální fúzi míří evropský „elektrárenský“ projekt HiPER (High Power Laser for Energy Research), zatím jen na papíře, kde má být systém rychlého zapálení kombinován s účinnými ns opakovacími lasery zajišťujícími kompresi paliva. Materiál na laserové prostředí pro takovéto „zázračné“ lasery je již na obzoru a funguje v opakovacím systému „Mercury“ v Los Alamos. Jde o tzv. nanokeramiku na bázi YAG (granátu itritohlinitého Y₃Al₅O₁₂) dotovaného ytterbiem Yb. Slinuté nanokrystalky této látky spojují příznivou tepelnou vodivost velkých monokrystalů YAG s optickou homogenitou skla. Generované světlo na µm vlnové délce se pak nepatrnými krystalky v keramice téměř nerozptyluje a keramické disky je současně mezi výstřely možno účinně chladit plynným heliem. Kromě toho lze při této technologii v principu vylaďovat radiální profil koncentrace příměsi Yb a regulovat tím i radiální profil generovaného laserového impulsu, či na obvod desky přidat neodraznou absorpční vrstvu zabraňující vzniku nežádoucí zesílené emise parazitními odrazy v příčném směru. Samotná náhrada skla keramikou by však ještě nestačila. Místo xenonových Xe bleskových výbojek je třeba k čerpání použít laserové polovodičové diody dávající místo spojitého spektra monochromatické záření, jehož vlnová dálka v červené oblasti leží velmi blízko laserového přechodu v ytterbiových iontech Yb³⁺, (absorpční pás okolo 0,94 µm je možno ideálně čerpat InGaAs laserovými diodami na 0,94 µm nebo 0,97 µm), neboli i kvantová účinnost (poměr mezi vlnovou délkou čerpacího záření ku vlnové délce laseru) je velmi příznivá a v keramice se zbytečně neukládá přebytek nevyužité čerpací energie. Laserové diody se dnes spojují do vodou chlazených bloků lineárních či plošných, jejich vlastní elektrická účinnost bývá kolem 10-15 %, tj. opět několikrát lepší, než je u Xe výbojek. Úspěch projektu HiPER, jehož přípravného stádia se zúčastňuje i ČR, bude dále záviset na výsledku vývoje velkých opakovacích keramických laserů, které jsou samy čerpány laserovými diodami. Jejich bezprostřední využití se dá očekávat i v klíčových oblastech průmyslu, např. při regeneraci povrchu lopatek turbín leteckých tryskových motorů laserovým vyklepáváním (laser peening). ČR se do tohoto vývoje zapojila velice účinně projektem HiLASE. Americkým protějškem HiPER, též dosud jen na papíře, je LIFE (Laser Inertial Fusion Engine), původně míněný jako opakovací zdroj neutronů pro hybridní reaktor.

Dalším velkým evropským laserovým projektem, který ovšem míří na čistou vědu, je Extreme Light Infrastructure ELI, jehož podstatná část zvaná ELI-Beamlines je plánována k výstavbě v Dolních Břežanech u jižní hranice Prahy, další části by měly stát v maďarském Szegedu a posléze i v rumunském Magurele u Bukurešti. Má to opět být opakovací systém, ale s velmi krátkým impulsem v oboru desítek fs, neboli s obrovskou intenzitou osvětlení na terčíku kolem 10²³ W/cm² (současný systém PALS v ÚFP AV ČR dosahuje 10¹⁶ W/cm²). I jeho úspěch je závislý na vývoji opakovacích keramických laserů, které v tomto případě budou použity k čerpání nelineárních parametrických krystalových zesilovačů (Optical Parametric Chirped Pulse Amplification OPCPA). Počínáme-li tedy u čerpacích diod, bude v případě ELI postupné využití laserů ke generaci ultrakrátkého světelného impulsu třístupňové. To je cena za možnost dosažení vysoké hustoty světelného výkonu na terči s relativně vysokou opakovací frekvencí. Projekt ELI je také prvým, který se s touto myšlenkou vysokoenergetického zařízení s vysokou opakovací frekvencí výstřelů odvážil přijít, i když vědecké aplikace nejsou na velikosti opakovací frekvence závislé tak kriticky jako možná budoucí elektrárna.

Česká část ELI-Beamlines, s jejíž výstavbou by se mělo začít již letos a která by měla být dokončena v r. 2015, zachovává původní cíle projektu ELI v podobě řady uživatelských svazků světelných, röntgenovských (včetně tvrdého Röntgenova záření a γ záření) i částicových (elektrony, protony). Je k tomu třeba vědět, že ultraintenzivní laserový svazek působí v plazmatu i jako miniaturní urychlovač částic, primárně elektronů. Srdcem zařízení bude baterie opakovacích laserů na různých energiích a frekvencích výstřelů s průměrným výstupním výkonem na úrovni něco pod 1 kW, viz schéma, většinou použitých k čerpání zesilovacích řetězců nelineárních krystalů či velkoplošných krystalů Ti:safíru (Ti:Sapph). Veškeré tyto čerpací lasery by měly být výstupem projektu HiLASE. Koncová okénka na schématu představující jednotlivé uživatelské stanice též naznačují, jaké vědecké disciplíny bude možno s projektem ELI-Beamlines otevřít. Laser je univerzálním nástrojem výzkumu a zdaleka není vázán jen na využití pro fúzi jako např. tokamaky. Výkonové lasery jsou též jedním z mála laboratorních zařízení umožňující vytvoření jinak nedosažitelné koncentrace energie v prostoru a čase. Hmota interagující s fokusovaným zářením výkonového laseru se tedy mění ve fyzikální objekt s řadou velice zajímavých aspektů a potenciálních aplikací, včetně interdisciplinárních, např. v materiálovém výzkumu, chemii, biologii či lékařství. Hustota výkonu dosažitelná ve fokusu ELI je ovšem taková, že zajímavé efekty se dají očekávat i při interakci se samotným vakuem, jinými slovy bude možno ověřovat některé předpovědi kvantové elektrodynamiky, neboli provozovat tzv. exotickou fyziku. Mnohé tyto otázky byly probrány na workshopu ELI-Beamlines Scientific Challenges 26-27/4 v Praze, bližší informace je na webových stránkách http://www.eli-beams.eu/.

Zatímco budoucnost projektu HiPER a zřejmě i LIFE bude napříště do jisté míry závislá na úspěšném zapálení termonukleární fúze na systémech NIF či LMJ, což se může rozhodnout již během následujících 2-3 let, projekt ELI bude jako evropské vědecké uživatelské zařízení na těchto výsledcích nezávislý. HiPER a ELI jsou součástí seznamu výzkumných zařízení doporučených k výstavbě v EU, tzv. evropské „Roadmap“, vydaném ESFRI (European Strategy Forum on Research Infrastructures) organizovaném v Bruselu. Samotná položka v Roadmap však ještě neznamená, že jsou pro ni v EU též k dispozici finanční prostředky. Projekty HiLASE a ELI-Beamlines podané z FZÚ AV ČR k financování ze strukturálních fondů právě k nám přicházejících z Bruselu dokazují, že ČR tuto jedinečnou příležitost nezaspala a že takto otevřené „finanční okénko“ bude využito v souladu s vědeckou strategií EU a ku prospěchu vědy v ČR. Na naší aktivní účasti v ELI má zásluhu především mladší generace fyziků ze sekce výkonových systémů (vědeckým koordinátorem projektu je B. Rus), která dokázala přesvědčit evropské kolegy o výhodnosti umístění ELI-Beamlines na území ČR a která tím ovšem na sebe současně vzala i těžké břemeno odpovědnosti za jeho úspěch. Ale ani nadšení našich mladších kolegů pro tento jedinečný projekt by samo o sobě nestačilo, kdyby se mu nedostalo jednoznačné podpory se strany vedení FZÚ, které se tím zavázalo k finančnímu správcovství nemalých prostředků přicházejících do projektu (částka k financování ELI-Beamlines překračuje více než o řád předpokládanou cenu laserového systému PALS, včetně někdejšího daru z Německa) a i neutuchající podpory ministerstva školství zejména v osobě náměstka prof. V. Růžičky.

Umístění budovy ELI-Beamlines v Dolních Břežanech. Představa architektonického návrhu v místě, kde se nyní nachází nefunkční objekt bývalého JZD. Vlastní laserová laboratoř bude umístěna v budově se zatravněnou střechou vpravo, přední nižší část je míněna pro zaměstnance. Vzdálenější nepravidelná budova poněkud vlevo vzadu rovněž se zatravněnou střechou je objekt HiLASE.

Navržené schéma laserové části zařízení ELI-Beamlines

Počáteční oscilátory vlevo, několikastupňový zesilovací řetězec uprostřed a výstupní svazky pro uživatelské stanice vpravo. Parametry jednotlivých svazků včetně opakovací frekvence červeně, čárkovaně uvedena alternativa zesilování velkoplošným Ti:safírovým krystalem. Na rozdíl od fúzních aplikací není většina experimentů základního výzkumu kriticky závislá na velikosti opakovací frekvence, ani účinnosti laserů, proto lze diodové čerpání DPSSL doplnit výrazně levnějšími Xe výbojkami.

Vysvětlení zkratek:

PFS Petawatt Field Synthetizer (Ti:safírový oscilátor s nelineárním krystalovým předzesilovačem čerpaný pikosekundovým ps laserem, který je schopný generovat impuls kratší než 10 fs).

DPSSL Diode Pumped Solid State Laser (označení čerpacího laseru v ns oboru s Yt YAG nanokeramikou, který je sám čerpán bloky polovodičových InGaAs laserových diod).

OPCPA Optical Parametric Chirped Pulse Amplification (nejedná se o klasický laserový efekt, kdy se čerpací enegie nejprve do laserového prostředí uloží a teprve pak se vyzáří, ale jde o přímý převod energie z jednoho laserového impulsu do jiného s poněkud delší vlnovou délkou v nelineárním prostředí-krystalu. Výhodou tohoto způsobu zesilování je zachování šířky pásma a dalších vlastností spektra zesilovaného impulsu).

WDM Warm Dense Matter (myslí se aplikace s relativně chladným a hustým neideálním plazmatem, které se běžně vyskytuje při experimentech s laserem na volných elektronech FEL při interakci jeho svazku s pevným terčem).