Zesilování rozmítnutých pulzů – cesta k nejvýkonnějším laserům světa

Metoda zesilování rozmítnutých pulzů vyvinutá Donnou Stricklandovou a Gérardem Mourouem v roce 1985 a oceněná letošní Nobelovou cenou za fyziku způsobila doslova revoluci v konstrukci laserových systémů s vysokým špičkovým výkonem. Maximální intenzita dnešních laserů je až milionkrát vyšší než před 30 lety a jejich využití je celosvětové. Petawattové laserové systémy se uplatňují v celé řadě experimentů z oblasti biologie, fyziky materiálů, urychlování částic či laboratorní astrofyziky. Českou republiku v této oblasti úspěšně reprezentují laboratoře ELI Beamlines v Dolních Břežanech u Prahy, kde jsou v současnosti v provozu dva unikátní laserové systémy terrawatové a petawattové třídy L1 Allegra a L3 HAPLS.

Tento článek vyšel v čísle 6/2018 Československého časopisu pro fyziku, vydávaného Fyzikálním ústavem AV ČR. Autorkou je Ing. Lucia Koubíková.

Letošní Nobelova cena za fyziku, udělená v úterý 2. října Arthuru Ashkinovi (USA) „za objev optické pinzety a její využití v biologických systémech” a Gérardovi Mourouovi (Francie) a Donně Stricklandové (Kanada) „za jejich metodu generování vysoce intenzivních, ultrakrátkých optických pulzů” [1], je výjimečná hned z několika důvodů: zaprvé, jedná se o první ocenění v oboru laserové fyziky od roku 1964 (NC pro N. C. Basova, A. Prokhorova a C. H. Townese za práci vedoucí ke konstrukci oscilátorů a zesilovačů založených na principu maseru-laseru). Mnoho velkých vědeckých a technologických institucí využívá lasery buď k základnímu výzkumu (ELI, LLNL, European XFEL a další), nebo jako užitečný nástroj (např. interferometrie, spektroskopie) – pomocí laseru byly například v roce 2015 poprvé detekovány gravitační vlny na zařízení LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, USA, NC za rok 2017) –, ale samostatná cena pro fyziku laserů po dlouhých 54 let chyběla. Za druhé, Donna Stricklandová obdržela Nobelovu cenu za fyziku jako první žena po 55 letech (naposledy to byla v roce 1963 Maria Goeppert-Mayerová za objevy týkající se struktury jaderného obalu) a jako třetí žena v historii NC vůbec. A konečně za třetí, objevy všech tří oceněných představovaly pro vědeckou komunitu skutečnou revoluci: především díky G. Mourouovi a D. Stricklandové vznikají po celém světě výzkumná centra zaměřená na konstrukci laserových systémů s vysokým špičkovým výkonem a využitím pro experimenty z oblasti astrofyziky, fyziky plazmatu, urychlování částic a mnohé další. Podle studie C. Dansona [2] bylo do roku 2015 celosvětově zaznamenáno přes 50 laserů petawattové třídy (tj. se špičkovým výkonem minimálně 200 terawattů) buď již provozuschopných, nebo ve výstavbě, nebo ve fázi plánování.

Obr. 1 Schéma metody CPA.

Zájem o vytvoření extrémních podmínek v laboratoři pomocí laserového svazku existoval již od samotného počátku – konstrukce prvního laseru v roce 1960 T. Maimanem. Dosažení vysokých špičkových výkonů záření však dlouho komplikovaly technické limity dostupných materiálů, především výskyt nelineárních jevů (např. samofokusace), vedoucí k závažnému poškození optických komponent. Elegantní řešení přinesla v roce 1985 metoda zesilování rozmítnutých (čerpovaných) pulzů (CPA, z anglického Chirped Pulse Amplification, obrázek 1), vyvinutá výše zmíněnými G. Mourouem a D. Stricklandovou [3]. CPA, která byla původně vynalezena jako technika navýšení výkonu pro radary [4], umožňuje generaci pulzů o délce desítek až stovek femtosekund (10⁻¹⁵ sekundy) a energii jednotek až tisíců joulů, vedoucí ke generaci výkonů na úrovni petawattů (10¹⁵ wattů). Základní princip CPA spočívá v rozšíření doby trvání původního femtosekundového pulzu záření až faktorem 100 000, tj. na délku cca 1 nanosekundy. Stejnou nebo podobnou měrou se pak sníží intenzita laserového svazku na úroveň bezpečnou pro průchod aktivním prostředím; přesný poměr útlumu je přitom řízen tvarem spektra laseru.

Laboratoř L3 HAPLS při provozu na vysoké energii (současný limit výstupního špičkového výkonu je přibližně 0,5 petawattu). Zelené záření (vlnová délka 527 nanometrů) vzniká při čerpání posledního zesilovacího stupně, konkrétně aktivních iontů titanu v safírové matrici, které v této části spektra absorbují nejvíce energie.

Prvním stupněm typického CPA systému je oscilátor generující ultrakrátké pulzy – nejčastěji používaný je safírový krystal s příměsí aktivních iontů titanu, schopný generovat záření o délce kratší než 10 femtosekund. V tzv. stretcheru (prodlužovači) laserový pulz získává kladnou disperzi – komponenty s vyšší frekvencí (kratší vlnovou délkou) jsou zde nuceny projít delší trasou než komponenty s nižší frekvencí (delší vlnovou délkou) a pulz tak opouští tento stupeň roztažený v čase. Záření má nyní bezpečnou úroveň intenzity a může být několikanásobně zesíleno; možné je použití laserových zesilovačů, nelineárního jevu optického parametrického zesílení (tzv. OPCPA, Optical Parametric Chirped Pulse Amplification), případně různých kombinací těchto možností. Poslední, nejdůležitější částí CPA laseru je pak tzv. kompresor, kde dochází k odstranění čerpu a tím i ke zkrácení, kompresi pulzu zpět na původní úroveň. Kompresor dává záření zápornou disperzi,jejíž hodnota musí co nejpřesněji odpovídat disperzi původně zavedené stretcherem. Pro optimální kompresi zesíleného pulzu je zároveň potřeba odstranit i vyšší stupně spektrální fáze a modulace pocházející ze zesilovačové části. Konstrukce přesně korespondujícího páru stretcher – kompresor představovala jednu z hlavních výzev vývoje CPA systémů: kompresor udává, jak dokonale bude výstupní záření odpovídat vstupu z prvotního oscilátoru, a zároveň musí vydržet nejvyšší intenzitu zesíleného, ultrakrátkého pulzu. V prvním CPA systému byl použit stretcher na bázi optického vlákna a mřížkový kompresor navržený E. B. Treacym [5]. Přestože je možné mimo jiné i využití optických hranolů [6], dnešní petawattové systémy využívají jako disperzní elementy především mřížky. Například tzv. Offnerův triplet [7] umožňuje ještě vyšší faktor rozšíření pulzu, a tím i navýšení energie přenášené systémem.

Opět laboratoř L3 HAPLS při provozu na vysoké energii, jiná fotografie.

Metoda zesilovaní rozmítnutých pulzů umožnila nárůst intenzity sfokusovaného laserového svazku o sedm řádů (z 10¹⁵ na 10²² W/cm²) a otevřela tak brány výzkumu interakcí záření s látkou v ultrarelativistickém režimu – tzv. věda ultravysokých polí je rovněž hlavním zájmem evropského projektu Extreme Light Infrastructure (ELI) [8], u jehož zrodu nestál v roce 2009 nikdo jiný než Gérard Mourou. Jeden ze tří pilířů projektu ELI – ELI Beamlines se nachází v Dolních Břežanech u Prahy (pilíř ELI Attosecond má sídlo v Maďarsku, ELI Nuclear Physics pak v Rumunsku) a v současnosti je domovem tří unikátních laserových systémů terawattové a petawattové třídy. Jedinečnost těchto laserů přitom nespočívá pouze ve vysokém špičkovém, ale i průměrném výkonu – jde o systémy s vysokou opakovací frekvencí, která je v celosvětovém měřítku neobvyklá. Systém L1 Allegra je schopen dodat pulzy o energii 100 milijoulů a délce 20 femtosekund s opakovací frekvencí jednoho kilohertzu (špičkový výkon 5 terawattů), což z něj činí jedinečný nástroj pro materiálové a biomolekulární aplikace – celý laserový systém byl přitom navržen a zprovozněn vědeckým týmem ELI Beamlines.

Laser L1 Allegra je komplexní OPCPA systém sestávající z několika stupňů zesílení vyvinutý vědeckým týmem ELI Beamlines. Jeho výstupní výkon 5 TW je nejslabší ze všech instalovaných laserů pilíře ELI Beamlines, avšak opakovací frekvence 1 kilohertz činí z řetězce L1 Allegra výjimečný nástroj pro experimenty z oblasti biologie a fyziky materiálů.

Laser L3 HAPLS (High-repetition-rate Advanced Petawatt Laser System), vyvinutý americkou Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) pro provoz na výkonu jednoho petawattu (pulzy o délce 30 femtosekund, energii 30 joulů a opakovací frekvenci 10 hertzů) stanovil v roce 2017 nový rekord nejvyššíhoprůměrného výkonu pro diodově čerpané systémy (technologie DPSSL – Diode Pumped Solid-State Lasers) [9]. Laser L3 HAPLS je zkonstruovaný na principu CPA, s několikastupňovým zesílením v prostředí titan-safíru a bude sloužit k experimentům z oblasti fyziky plazmatu a urychlování elektronů a iontů. První měření jsou přitom plánovaná již na konec roku 2018.

Systém L3 HAPLS je jedním z nejkompaktnějších laserů ve své třídě – na délku má pouhých 17 metrů a přibližně 5 metrů na šířku. První řada stolů je využívána CPA systémem pro generaci krátkých pulzů; druhou řadu zabírá tzv. čerpací laser. Oba systémy se setkávají na posledním stole, v posledním stupni zesílení.

Systém L4 Aton je v těchto dnech instalován v laboratořích ELI Beamlines americkou společností National Energetics, která systém vyvíjela společně s litevskou firmou EKSPLA (optické komponenty) a ELI (diagnostika, design vakuové komory a optomechaniky pro 10 PW kompresor a další). Řetězec L4 Aton je určen ke generování špičkového výkonu 10 petawattů v jediném svazku, s délkou trvání optického pulzu asi 130 femtosekund. Architektura je založena na přímé kompresi širokopásmového svazku zesíleného kombinací desek neodymem dopovaného skla. Hlavní zesilovač dokáže přitom poskytnout až 2 kilojouly energie v nanosekundových pulzech pro přímé využití v experimentech.

Za posledních 30 let byla maximální intenzita laserového záření zvýšena až milionkrát a lasery jako takové se staly kompaktnější, a tím i dostupnější pro různé vědecké týmy po celém světě – především díky metodě zesilovaní čerpovaných pulzů vyvinuté D. Stricklandovou a G. Mourouem v roce 1985 a oceněné letošní Nobelovou cenou za fyziku. Vznikají stále nové výzkumné instituce zaměřené na fyziku extrémních polí; lasery petawattové třídy jsou využívány ke studiu obecné relativity a kosmologie, astrofyziky, i jaderné a kvantové fyziky. Lidská přirozenost nás však nutí jít ještě dál – v termínech laserové fyziky to znamená ke kratším pulzům (attosekundy, zeptosekundy) a vyšším výkonům (exawatty, zettawatty), které by nám otevřely další, „exotické” fyzikální možnosti [10]. Zde ovšem opět (zatím) narážíme na přirozené limity materiálů – a našich schopností.

Konverze svazku čerpacího laseru pro poslední stupeň zesílení systému L3 HAPLS. Konverze z infračervené vlnové délky 1 053 nm na zelenou (527 nm) probíhá nelineárním optickým procesem generace 2. harmonické v jediném krystalu – energie čerpacího laseru přitom dosahuje 100 joulů (konverzní účinnost je pak zhruba 75 %). Svazek je čtvercový, o velikosti 5 × 5 cm.

Literatura

1. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2018/summary/
2. C. Danson a kol.: „Petawatt class lasers worldwide”, High Power Laser Science and Engineering 3, E3 (2015).
3. D. Strickland, G. Mourou: „Compression of amplified chirped optical pulses”, Optics Communications 56, 3 (1985).
4. C. Cook: „Pulse Compression – Key to More Efficient Radar Transmission”, Proceedings of the IRE 48, 3 (1960).
5. E. B. Treacy: „Optical pulse compression with diffraction gratings”, IEEE Journal of Quantum Electronics 5, 9 (1969).
6. O. E. Martinez a kol.: „Negative group-velocity dispersion using refraction”, Journal of the Optical Society of America A 1, 10 (1984).
7. G. Cheriaux a kol.: „Aberration-free stretcher design for ultrashort-pulse amplification”, Optics Letters 21, 6 (1996).
8. G. Mourou a kol.: „ELI Whitebook“, https://www.eli-beams.eu/wp-content/uploads/2018/03/eli_beamlines_whiteb... (2011).
9. https://www.llnl.gov/news/llnl-meets-key-milestone-delivery-world%E2%80%...
10. G. Mourou a kol.: „Optics in the relativistic regime”, Reviews of Modern Physics 78, 2 (2006).