Nobelio premijos laureatas prof. Gérard’as Mourou spusteli juodą mygtuką ir paleidžia femtosekundinius šviesos impulsus, žybsinčius 1000 kartų per sekundę dažniu. Matavimo įranga užfiksuoja ir pilnai auditorijai pademonstruoja ~6,5 femtosekundžių trukmės šviesos impulsus, kurių energija 32 milidžiauliai. Taip startavo pasaulyje unikali, ultrasparti ir didelio intensyvumo lazerinė sistema SYLOS2A, įdiegta ELI-ALPS tyrimų centro laboratorijoje Vengrijoje.

Iššūkis

Žmonės seniai bandė pakeisti vieną cheminį elementą kitu. Viduramžiais, tikėdamiesi šviną paversti auksu, alchemikai išgrynino ir ištyrė daugybę medžiagų. Dabar gausi mokslininkų bendruomenė nenuilstamai dirba, kurdama naujas medžiagas, atrasdama naujus cheminius elementus ir tirdama pagrindines mus supančio pasaulio savybes. 

Skverbimasis vis gilyn į medžiagas pagilina suvokimą apie molekulinę ir atominę medžiagų sandarą bei vykstančius dinaminius procesus. Jau šešis dešimtmečius, nuo pat jų sukūrimo, lazeriai plačiai taikomi medžiagotyroje.

Poreikis skverbtis dar giliau iškilo, kai buvo pradėti nukleonų ir juos sudarančių kvarkų ar vakuumo pramušimo tyrimai. Šalia fundamentinių tyrimų, pradėti didelio intensyvumo lazerių praktiniai taikymai – kaip branduoliniuose reaktoriuose naudojamų medžiagų senėjimo procesų tyrimai, kuriant naujus branduolinių atliekų perdirbimo būdus, medicininiam ir biomedicininiam vaizdinimui ir netgi tobulinant vėžio gydymą.

ELI-ALPS

Šioms užduotims atlikti reikėjo daug didesnio smailinio intensyvumo lazerių sistemų. Europos Bendrijos narės sukūrė naujo tipo didelio masto lazerių infrastruktūrą, specialiai skirtą didžiausios galios ir intensyvumo išgavimui: „Extreme Light Infrastructure“ (ELI). ELI buvo suprojektuotos kaip pirmosios eksavatinių (EW = 10¹⁸ W) lazerių laboratorijos, dirbančios su kilodžiaulinės (kJ) klasės lazeriais ir itin trumpais 10 fs (10^-14 s) impulsais.

Šie lazerių centrai išdėstyti trijose valstybėse – Čekijoje, Vengrijoje ir Rumunijoje. ELI-ALPS yra vienas iš ELI padalinių, įsikūrusių Segede (Vengrija). Šis projektas padės dar labiau pagilinti fundamentinės fizikos žinias, naudojant aukšto pasikartojimo dažnio intensyvius atosekundinius (10^-18 s) šviesos impulsus. ELI-ALPS technologinis pamatas yra OPCPA (optinis parametrinis čirpuotų impulsų stiprinimas) technologija, taikant ją gaunami vieno ar kelių optinių ciklų lazerio impulsai.

Kaupinimas kietakūniais pikosekundiniais lazeriais turi pranašumų, lyginant su tradicine titano safyru paremta femtosekundinių impulsų stiprinimo technologija. Turimi pranašumai – kaupinimo efektyvumas, kontrastas, spektro plotis ir t. t. – leidžia tiksliau valdyti sukuriamą spinduliuotę. 

Sistemos aprašymas

Vieno ciklo lazerį SYLOS2A, kuriame naudojama Vilniaus universitete sukurta OPCPA technologija, pagamino dviejų Lietuvos įmonių – „Ekspla“ ir „Light Conversion“ – konsorciumas.

Konsorciumas laimėjo SYLOS viešųjų pirkimų konkursą 2014 m. Sistema buvo įdiegta 2019 m. gegužės 15 d. Ji generuoja stabilizuotos nešlio gaubtinės (CEP) 6,6 fs trukmės lazerio impulsus, kurių didžiausia smailinė galia yra >5 TW, o vidutinė galia 35 W, esant 1 kHz pasikartojimo dažniui.

Sistemos priekinė dalis sudaryta iš kaskadinių parametrinių stiprintuvų ir naudoja pasyvų CEP stabilizavimą, užkratui naudojamas pramoninis femtosekundinis Yb:KGW lazeris. Plėstuve išplėsti impulsai toliau stiprinami diodinio Nd:YAG pikosekundinio lazerio kaupinamose keturiose OPCPA pakopose ir galiausiai suspaudžiami impulsų spaustuve. 

Sistema pasiekė parametrus, kurie prieš tai nebuvo įmanomi tokio tipo sistemoje. Turint šviesos šaltinį su > 5 TW pikine galia ir 1 kHz impulsų pasikartojimo dažniu, buvo galima pradėti naujo tipo tyrimus, sparčiai renkant duomenis ir kaupiant statistiką, ko anksčiau nebuvo galima padaryti dėl tinkamų šviesos šaltinių trūkumo. Taip pat buvo pasiektas geriausias CEP stabilumas tarp panašios klasės sistemų. Toks CEP stabilumas leidžia tiksliai valdyti lazeriu sužadinamus procesus.

„Taikant patikimas ir pramonėje patikrintas technologijas, sistema yra ekonomiška, patikima ir lengvai prižiūrima bei atnaujinama. Remiantis dabartiniu modeliu, gali būti sukurtos ir mažesnės galios tuo pačiu, ir pigesnės sistemos. Sistemos eksploatacija yra pigesnė ir patogesnė, nes pramoninius modulius lengviau gaminti ir pakeisti “, – sako Donatas Lengvinas, „Eksplos“ Didelio intensyvumo lazerių grupės vyresnysis inžinierius.

Įdiegtas sistemos parametrų stebėjimas ir valdymas skirtingose stiprinimo pakopose. Programinė įranga kaupia, rūšiuoja ir nustato pagrindinių parametrų pokyčius laike. Tai leidžia labai greitai diagnozuoti ir optimizuoti beveik visus parametrus be fizinės sistemos operatoriaus intervencijos. Įdiegta išmani savidiagnostikos sistema leidžia naudotis lazeriu visą dieną, išlaikant specifikacijų stabilumą, be būtinos intervencijos.

Skirtingai nuo kitų rinkoje esančių sistemų, buvo naudojamos patikimos pramonėje patikrintos technologijos ir komponentai, siekiant gauti unikalų derinį: ekstremalius parametrus, patogumą vartotojui, patikimumą, pigesnę ir patogesnę priežiūrą bei aptarnavimą. 

Diegimo etape ir vėlesniame bandymų laikotarpyje lazerio sistema demonstravo puikų našumą ir patikimumą, veikdama 6 mėnesius, mažiausiai 8 valandas per dieną.

„Vienas iš svarbiausių aspektų yra patikimumas. SYLOS buvo suplanuotas būti universaliu, kaip tik įmanoma, ir aptarnauti penkias eksperimentines laboratorijas, daugiausia ELI-ALPS. Didelė lazerio spindulio paklausa reiškia, kad norime kuo labiau sumažinti sistemos prastovų laiką.

SYLOS2A ne tik demonstruoja išskirtinius lazerio parametrus, bet kasdien veikia kaip laikrodis ir mes tikrai esame tuo patenkinti“, – sako Adam Borzsonyi, ELI-ALPS Lazerinių šaltinių skyriaus vadovas.

Nauji horizontai

„Branduolinės atliekos išlieka radioaktyvios milijonus metų. Dabar jas slepiame giliai žemėje, tačiau yra vienas kur kas efektyvesnis būdas jomis atsikratyti – transmutuoti jas. Paveikus tinkama lazerio spinduliuote, branduolinio skilimo pusamžio laikas sutrumpėja nuo tūkstančių, milijonų metų iki valandų ar net minučių“, – aiškina Gérard’as Mourou, 2018 m. Nobelio fizikos premijos laureatas.

„Šiuo metu branduolinės atliekos kaupiamos konteineriuose arba laidojamos po žeme, atsižvelgiant į radioaktyviųjų medžiagų skilimo periodą. Šis metodas kelia susirūpinimą dėl saugumo, nes dalis atliekų yra laidojama netoli tankiai apgyvendintų vietovių, o labai radioaktyviosios atliekos turi būti saugomos net dešimtis tūkstančių metų“, – teigia dr. Artūras Plukis, Fizinių ir technologijos mokslų centro (FTMC) Eksperimentinės branduolinės fizikos laboratorijos Vilniuje vadovas.

Didelio intensyvumo galinga lazerių sistema atveria kelią netiesinių ekstremaliųjų ultravioletinių ir rentgeno spinduliuočių procesų tyrimams, keturių matmenų vaizdinimui, taip pat įvairiems pramonės, biologijos ir medicinos taikymams.

„Didelio intensyvumo lazerių sistemos dažniausiai taikomos mokslo srityse, tačiau jas galima pritaikyti ir visuomenės poreikiams – pavyzdžiui, atliekant regos korekciją lazeriu. Iš esmės, turime itin precizišką skalpelį – tokiais trumpais impulsais galime neįtikėtinai tiksliai pjauti akių audinius. Taip pat galime pagreitinti daleles ir elektronus. Tai dažniausiai taikoma fizikoje, bet taip pat gali būti naudojama ir medicinoje, pavyzdžiui, gydant vėžį“, – sako prof. Gérard’as Mourou.