Česky
Akademický superlaser, jehož mnohoznačný název PALS je zkratkou anglického (Prague Asterix Laser System), slaví v září 2015 patnáct let služby evropské laserové komunitě. Vznikl částečnou metamorfózou německého obřího laseru Asterix IV přestěhovaného z Ústavu kvantové optiky Maxe Plancka (MPQ) v Garchingu u Mnichova v letech 1998–1999 do Prahy, kde se stal základem Badatelského centra PALS – společné laboratoře Fyzikálního ústavu a Ústavu fyziky plazmatu AV ČR.
Foto: Stanislava Kyselová, Akademický bulletin
Členové česko-francouzského týmu pózují na pražském pracovišti. Zprava ve směru hodinových ručiček: Denis Chatain, Stephane Garcia (oba SBT/CEA, Francie), Jiří Skála, Roman Dudžák, Jan Dostál (v modrých kombinézách – všichni PALS), Andriy Velyhan (ELI) a Jan Prokůpek (PALS).
V novém rodišti patřili ke kmotrům PALS například současný nositel Nobelovy ceny za fyziku Theodor Hänsch (rozhovor viz AB 6/2007), tehdejší místopředseda AV ČR a pozdější ředitel FZÚ AV ČR Karel Jungwirth a mnoho dalších. Vzpomeňme zejména Klause-Jürgena Witteho, vedoucího Oddělení fyziky laserového plazmatu v MPQ, Vladimíra Dvořáka, emeritního ředitele FZÚ AV ČR, a z našich kolegů Leoše Lásku z téhož pracoviště, kteří již nejsou mezi námi. Zařízení však mělo i mnohé odpůrce – ti většinou vyjadřovali obavy, že se po přestěhování nepovede uvést laser do provozu. Nebyl to také žádný drobeček, vážil něco přes 120 tun a v Německu zaplňoval třípodlažní budovu, jejíž analogie se musela v Praze rychle postavit. Během dvou let se neuvěřitelné stalo skutkem. Na jaře 2000 dosáhl přestěhovaný systém plných parametrů a v září téhož roku na něm začaly první mezinárodní experimenty.
Pomohlo, že laser PALS si z Německa přinesl do vínku status velké evropské uživatelské výzkumné infrastruktury a že si zásluhou relativně krátké doby přestěhování podržel i okruh zahraničních uživatelů. Také proto se mu podařilo již v roce 2000, a to jako první velké výzkumné infrastruktuře v nově přidružených zemích EU, získat čtyřletý evropský grant v programu Transnational Access to Major Research Infrastructures, který uhradil část provozních nákladů, jakož i cesty a pobyty hostujících evropských pracovníků. Byl to však jen začátek. Na patnáctiletou bilanci mezinárodní spolupráce můžeme být právem hrdi. Praha se stala doslova Mekkou laserových fyziků. V Evropě snad není jediný významný pracovník v oboru laserového plazmatu, který by náš PALS alespoň nenavštívil, pokud na něm přímo nepracoval. Od září 2000 do září 2015 se zdejších experimentů zúčastnilo 389 zahraničních fyziků, kteří tu odpracovali celkem 6221 dnů.
Co je příčinou jejich mimořádného zájmu? Hlavní laserové zařízení naší výzkumné infrastruktury, terawattový jodový fotodisociační laser se subnanosekundovou délkou impulzu, je jedním z pouhých čtyř evropských laserů kilojoulové třídy. Jeho výhodou je, že na rozdíl od ostatních tří není jeho pracovním médiem neodymové sklo, nýbrž při každém výstřelu obnovovaná plynová náplň obsahující jod, což zaručuje v podstatě neomezenou životnost jeho výkonových laserových zesilovačů. Laser je schopen vygenerovat kilojoulový světelný pulz v jediném laserovém svazku a soustředit jej na pevný nebo plynový terčík do ohniska o průměru menším než 0,1 mm. Intenzita záření na povrchu terče přitom dosahuje až několika PW na cm2. Kvůli poněkud delší vlnové délce jodového laseru (1315 nm) oproti laseru neodymovému spadá i třetí harmonická frekvence jeho záření do viditelné oblasti – není tudíž nutné při jejím použití využívat křemennou optiku. Provoz jodového laseru je tak oproti laseru neodymovému levnější a spolehlivější. A to není zdaleka vše. V průběhu let postupně zdokonalovanou nadstavbu jodového laseru je zinkový rentgenový laser s vlnovou délkou 21 nm s celosvětově rekordním špičkovým výkonem až 100 MW.
Díky oběma unikátním zařízením se stal PALS v roce 2003 zakládajícím členem konsorcia Laserlab--Europe jako rovnocenný partner významných laserových laboratoří ve Velké Británii a Francii. Konsorcium od té doby koordinuje laserový výzkum na celovropské úrovni a distribuuje všem členům evropskou finanční podporu na provoz laserových zařízení a na společné výzkumné aktivity. V prosinci 2015 začne v pořadí již čtvrtá etapa projektu s rozpočtem 10 milionů eur. Vedle PALS se do ní zapojí i nová česká laserová laboratoř HiLASE v Dolních Břežanech. Z projektu Laserlab lze hradit maximálně 20 % provozních nákladů laserových zařízení, zbývající část je třeba uhradit z domácích zdrojů. Provoz infrastruktury PALS byl v letech 2000–2011 financován z programu Výzkumná centra MŠMT a od roku 2011 z nového programu Výzkumné infrastruktury, který letos končí. Otázka domácího financování provozu naší první velké evropské výzkumné infrastruktury od roku 2015 není zatím bohužel dořešena.
Foto: Archiv PALS
Bílá nitka vodíkového ledu (uprostřed) vytlačovaná z trysky heliového kryostatu do vakua v interakční komoře laseru PALS.
K významným inovacím patří instalace femtosekundového vysokorepetičního titan-safírového laseru se samostatnými interakčními komorami, postupně realizovaná v období 2009–2011. Výkon tohoto laseru převyšuje více než 20krát výkon laseru jodového, energie jeho impulzu je však 500krát nižší. Nový fs laser využíváme pro samostatné přípravné experimenty pro projekt ELI-Beamlines i v tandemu s jodovým laserem. Prostřednictvím nedávno dosažené přesné synchronizace pulzů obou laserů (což nebylo kvůli jejich odlišnosti vůbec triviální) lze v současnosti studovat velmi rychlé procesy v plazmatu vytvářeném ns laserem s časovým rozlišením pod jednu ps.
Laserové plazma nachází uplatnění v mnoha oborech, od fyziky a laboratorní astrofyziky přes biologii a medicínu až po nejrůznější technologické aplikace. Věříme rovněž, že princip laserové inerciální fúze lze v budoucnu využít pro získávání energie. Pracovníci a uživatelé infrastruktury PALS publikují ročně v průměru 50 vědeckých publikací věnovaných výzkumu zářivých procesů v laserovém plazmatu, studiu chování hmoty za extrémních teplot a tlaků, vývoji plazmových zdrojů záření a urychlených iontů, ale například i studiu směrových plazmových proudů simulujících v miniaturním měřítku chování obdobných objektů ve vesmíru, nebo tzv. rázového zapálení termojaderné fúze. Úspěšně pokračují ve vývoji plazmových rentgenových zesilovačů.
Z nejvýznamnějších výsledků laboratoře PALS jmenujme například využití plazmového rentgenového laseru k vytvoření plazmatu o hustotě pevné látky, k dynamickým měřením nerovností povrchu optických elementů s nanometrickou přesností či ke studiu radiační odolnosti organických látek. V laboratoři byly poprvé zářením plazmatu rentgenovány mnohobuněčné živé mikroorganismy nebo se podařilo aktivně tvarovat a komprimovat směrové proudy horkého plazmatu. Experimenty ukázaly, že nelineární procesy v laserovém plazmatu podstatně zvyšují intenzitu laserového paprsku a tím i účinnost urychlování iontů. K nejvýznamnějším výsledkům z poslední doby však nepochybně patří dva, které představují světovou prioritu: Prvním z nich je mapování hustoty a magnetických polí v laserovém plazmatu se sub-ps časovým rozlišením, provedené ve spolupráci s polským týmem z IPPLM Varšava v dubnu letošního roku. Druhým, který jsme získali společně s pracovníky francouzské laboratoře INAC/SBT CEA koncem letošního srpna, je využití plazmatu vytvořeného laserem na kryogenním vodíkovém terči jako zdroje rychlých protonů.
Posledně jmenovaného experimentu se zúčastnili rovněž naši kolegové připravující vědecký program pro evropskou laboratoř ELI-Beamlines v Dolních Břežanech. Při rozhodování o jejím umístění v této lokalitě bylo nezanedbatelným faktorem právě vynikající mezinárodní renomé PALS a schopnosti mladých pracovníků na něm vyškolených. Expertní podpora projektu ELI-Beamlines a ověřovací experimenty během jeho přípravy představují jeden z hlavních současných úkolů naší infrastruktury. Její doménou však i do budoucna zůstává výzkum vyžadující relativně dlouhé laserové pulzy s velkou energií, například v oblasti inerciální fúze nebo plazmových rentgenových laserů.
JIŘÍ ULLSCHMIED,
Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v. v. i.