Výkonové lasery

Velký podíl na vynálezu laseru patří A. Einsteinovi. Ten již v r. 1917 publikoval, že při odvozování Planckova vzorce pro spektrální hustotu záření černého tělesa z bilance jím postulovaných fotonů se neobejde bez předpokladu existence procesu „záporné absorpce“, tj. stimulované emise, kdy pole záření nutí atomy či molekuly nacházející se na horní energetické hladině vyzářit svoji energii ve formě dalších fotonů, a tak zvyšuje energii dopadající stimulující vlny. Tyto nové fotony, pokud se vrátíme k vlnovému popisu dopadajícího světla, se navíc „zařazují“ do dopadající světelné vlny v rytmu její fáze čili nejen zvyšují její amplitudu, ale i způsobují její koherenci. Tento proces se pro názornost často přirovnává k pochodujícímu vojsku. Koherentní světelnou vlnu generovanou stimulovanou emisí lze přirovnat k chůzi vojenským krokem, nekoherentní stav k situaci po povelu „zrušit krok“. Hustota fotonů v zářivém poli je pak dána bilancí mezi stimulovanou emisí, spontánní emisí (samovolným vyzařováním) a absorpcí. Einstein zároveň odvodil, že mezi konkurujícími si procesy spontánní emise, stimulované emise a absorpce musí platit určité vztahy (dodnes nazývané po něm). V případě černého tělesa v termodynamické rovnováze jsou horní energetické hladiny obsazeny vždy méně než dolní, a tak se lze při dané teplotě dobrat k stacionárnímu stavu popsanému Planckovým vzorcem. Přemýšliví badatelé si však uvědomili, že pokud stav termodynamické rovnováhy opustíme a nějakým způsobem zajistíme, aby alespoň na kratičký okamžik vznikl stav se „zápornou teplotou“, kdy se na horní hladině bude nacházet více částic než na dolní (inverze hladin), tak díky procesu stimulované emise žádný stacionární stav nenastane a množství fotonů neboli amplituda dopadající vlny začne lavinovitě narůstat – dnes bychom řekli, že nastane laserový efekt. Prvé laboratorní zesílení elektromagnetické vlny však nenastalo ve viditelném laserovém oboru vlnových délek, ale v oboru mikrovln. Předchůdcem laseru¹⁾ byl tedy maser,²⁾ zařízení, které pracuje na stejném principu (stimulovaná emise), avšak generuje mikrovlnné záření. První maser sestavil Ch. H. Townes, J. P. Gordon a H. J. Zeiger v roce 1953.³⁾ Poté vznikla myšlenka přenést tentýž princip do viditelného oboru, tj. demonstrovat laserovou generaci. Od začátku však bylo jasné, že zkrácení vlnové délky do viditelného oboru nebude triviální. Větší energetická vzdálenost mezi vyzařujícími hladinami znamená, že i doba života horní hladiny daná samovolným vyzářením procesem spontánní emise je s ohledem na zmíněný Einsteinův vztah mezi koeficienty spontánní a stimulované emise natolik krátká, že nemělo smysl manipulovat vyzařující atomy či molekuly pomocí svazků apod. Stav s inverzí hladin bylo třeba pokud možno připravit přímo ve vhodném optickém rezonátoru. Proces vytváření inverze hladin se nazývá „čerpání“ a dnes je známo, že ho lze uskutečnit mnoha různými způsoby. Prvý laser však využíval optické čerpání a systém tří hladin, kdy absorbované fotony vnějšího impulsního světelného zdroje převedou atomy či jiné částice v laserovém „aktivním“ prostředí na nejvyšší ze tří hladin, odkud procesem spontánní emise či jiným způsobem mohou rychle přejít na hladinu prostřední, která je zároveň horní hladinou laserového přechodu. Pokud je spontánní emise na prostřední hladině pomalejší než její plnění z nejvyšší hladiny, nahromadí se stavy na této hladině a nastane inverze populace. Ta pak už jen čeká na rozvinutí procesu stimulované emise, při kterém by atomy hromadně přecházely z prostřední na nejnižší hladinu (laserový přechod), což je doprovázeno lavinovitým nárůstem intenzity světla – laserovým efektem. Z toho vyplývá, že tříhladinový systém s optickým čerpáním může nejlépe pracovat v impulsním režimu (z nejspodnější hladiny je potřeba atomy nejprve rychle převést na nejvyšší hladinu a pak čekat, až se naplní prostřední horní laserová hladina), že fotony čerpacího zdroje musí být vždy energetičtější (kratší vlnová délka, poměr energií laserových a čerpacích fotonů se nazývá kvantová účinnost) než fotony laserového přechodu a také že nelze vystačit jen se systémem dvou hladin. Museli bychom totiž pak nutně čerpat světlem na vlnové délce vlastního laserového přechodu, horní hladina by se naplnila na úroveň spodní hladiny, systém by přestal absorbovat (stal by se průhledným) a na horní hladině by se pak už nikdy nemohla vytvořit potřebná inverze populace, tudíž by nemohl nastat laserový efekt.⁴⁾ Od jednoduché myšlenky tříhladinového systému s optickým čerpáním však vedla dlouhá cesta k jejímu uskutečnění. Nebylo obtížné vybrat atomy mající systém tří hladin s vhodnými koeficienty spontánní emise. Stačí zvolit laserový přechod se zakázaným dipólovým přechodem, což omezí spontánní emisi, zatímco přechod z nejhořejší hladiny na prostřední by naopak měl být dipólově povolen. Oříškem byla volba vhodného optického rezonátoru, kde měl šťastnou ruku až G. Gould, zpočátku doktorand Townesově Kolumbijské univerzitě, který navrhl použít otevřený optický rezonátor, tj. dvojici paralelních zrcadel uzavírajících laserové prostředí mezi sebou. Gould je prý i autorem slova „laser“. Při práci si byl evidentně vědom aplikačního i komerčního potenciálu tohoto světelného zdroje. Vedl si vzorný laboratorní deník a jeho stránky denně nechával certifikovat v cukrárně naproti své laboratoři, která též poskytovala právní ověřování. Po vynálezu laseru začal na základě takto ověřených stránek uplatňovat proti Townesovi a dalším patentová práva. Spor se táhl velice dlouho, ale Gould nakonec prosadil svou, i když soud definitivně rozhodl v jeho prospěch až poté, co původní patentová práva jeho konkurentů na laser vypršela. Hlavní práci na jeho vývoji však vykonali budoucí nositelé Nobelovy ceny Townes na Kolumbijské univerzitě a A. L. Schawlow v Bellových laboratořích, kteří se pokoušeli vyvíjet infračervený laser. Použili k tomu zdánlivě jednoduchý systém, páry alkalických kovů se spektry podobnými vodíku a otevřený optický rezonátor, ale agresivní páry ničily odrazivé plochy zrcadel natolik, že se jim laserový efekt nepodařilo prokázat. Úspěšný byl až v roce 1960 T. H. Maiman v Kalifornii, který jako laserové prostředí použil tyčinku ze syntetického rubínu ovinutou xenonovou bleskovou výbojkou v tvaru spirály.⁵⁾ Ač předběhl své současníky, Nobelovu cenu nikdy nedostal. Té se dostalo v roce 1964 Townesovi spolu s dvěma Rusy N. G. Basovem a A. M. Prochorovem, kteří přišli s myšlenkou čtyřhladinového modelu umožňujícího kontinuální (neimpulsní) činnost laseru.

Od prvního Maimanova prototypu doznala laserová technika ohromný rozmach. Dnes jsou známy tisíce laserových prostředí schopných generovat koherentní světlo na nejrůznějších vlnových délkách od daleké infračervené oblasti desítek μm do měkké rentgenovské oblasti desítek nm a jejich využití je nesmírné.⁶⁾ Prostředí s velkým zesílením umožňují generovat světelné impulsy o veliké energii na základě jediného či několika málo průchodů impulsu laserovým zesilovačem.⁷⁾ Ty je pak možno zřetězit. Původní impuls generovaný v laserovém oscilátoru na začátku řetězce je postupně zesilován průchodem dalšími laserovými zesilovači a upravován vloženými optickými prvky, které určují jeho vlastnosti. Výstupní energie pak může v nanosekundovém režimu dosahovat až desítek kJ.

Požadavku pracovat v opakovacím režimu s potřebnou účinností se nejvíce blíží plynový laser CO₂, u nějž však naprosto nevyhovuje vlnová délka ležící v daleké infračervené oblasti. Potřeba vysoké výstupní energie dále vyřazuje jódový laser, kde se základní vlnová délka dá celkem snadno převést do viditelné oblasti konverzí v nelineárních krystalech. Ale velká výstupní energie impulsu by vyžadovala značný průměr laserových kyvet naplněných plynem a pak by bylo obtížné zajistit účinné čerpání např. xenonovými výbojkami obklopujícími kyvetu tak, aby došlo k potřebnému pročerpání celého objemu plynu. Věc by se dala obejít nahrazením výbojek táhlými náložemi dostatečně brizantní výbušniny, kde jako zdroj světla slouží rázová vlna iniciovaná výbuchem a šířící se plynným laserovým prostředím v obětované kyvetě, ale tento způsob je pro provoz elektrárny nepraktický. Excimerové lasery typu KrF, do nichž se zpočátku vkládala velká naděje, neumožňují účinné zkracování impulsu do ns oblasti – pracují vlastně ve volném režimu generace a délka impulsu přesahuje desítky ns. Zbývá neodymové sklo, protože monokrystaly YAG nejsou k dispozici v potřebné velikosti. To se dá uspořádat do tvaru tenkých disků či desek střídavě umístěných do zesilovačů pod neodrazným Brewstrovým úhlem, kde pak obklopující výbojky čerpají jen dvojrozměrné útvary a na rozdíl od plynových náplní je potřebné pročerpání v principu možné. Podobně jako v případě jódového laseru lze též původní infračervenou vlnovou délku účinně přetransformovat dvojicí velkoplošných nelineárních krystalů KDP dokonce do blízké UV oblasti. Účinnost skleněných Nd laserů čerpaných Xe výbojkami je však méně než jednoprocentní a interval mezi výstřely může být až několikahodinový, aby se po každém výstřelu vychladily skleněné desky. Protože jen malá část spektra Xe výbojek je využita k excitaci Nd iontů, většina se změní v teplo. Přesto se momentálně staví dva Nd systémy, které dávají necelé 2 MJ světelné energie v blízké UV oblasti za účelem demonstrace mikrovýbuchu. Jedním je právě spouštěný systém National Ignition Facility NIF v severoamerickém Livermore, druhým Laser Megajoule LMJ ve francouzském Le Barp u Bordeaux. Při plné energii budou schopny zajistit několik výstřelů denně. Jejich účelem není výroba energie, ale neutronů, které mají po zákazu zkoušek nukleárních zbraní nahradit chybějící experimentální možnosti pro vojenský výzkum. Pokud by se podařilo oddělit fázi stlačení termonukleárního paliva od jeho zapálení, mohla by být tato obrovitá zařízení zmenšena (asi 10×). To 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. K jejímu odstranění míří evropský „elektrárenský“ projekt HiPER (High Power Laser for Energy Research), 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 dotovaného 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 lze mezi výstřely účinně chladit plynným heliem. Samotná náhrada skla keramikou by však nestačila. Místo Xe výbojek je třeba použít k čerpání laserové polovodičové diody dávající místo spojitého spektra monochromatické záření, jehož vlnová délka v červené oblasti leží velmi blízko laserového přechodu v ytterbiových iontech Yb³⁺ (absorpční pás okolo 0,94 µ m je možno ideálně čerpat InGaAs laserovými diodami na 0,94 µ m nebo 0,97 µ m), tedy i kvantová účinnost je velmi příznivá a v keramice se zbytečně neukládá přebytek nevyužité čerpací energie. Laserové diody se dnes spojují do vodou chlazených lineárních či plošných bloků a jejich vlastní elektrická účinnost bývá kolem 10–15 %, tj. opět několikanásobně lepší než u Xe výbojek. U jejich zrodu stojí další ruský nobelista z r. 2000 Ž. I. Alfjorov (viz Vesmír 80, 32, 2001/1).

Úspěch projektu HiPER, jehož přípravného stadia se účastní i ČR, bude záviset na výsledku vývoje velkých opakovacích keramických laserů, které jsou samy čerpány laserovými diodami. Jejich 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 projektem HiLASE, který je ve stadiu schvalování. Dalším velkým evropským laserovým projektem je Extreme Light Infrastructure ELI (jehož podstatná část ELI-Beamlines má být vybudována v Dolních Břežanech). Opět se jedná o opakovací systém, ale s velmi krátkým impulsem v oboru desítek fs neboli s obrovskou intenzitou osvětlení na terčíku kolem 1024 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 označovaných jako OPCPA. Zatímco budoucnost projektu HiPER bude do jisté míry závislá na úspěšném zapálení termonukleární fúze na systémech NIF či LMJ, což se může rozhodnout již během 2–3 let, projekt ELI bude jako evropské vědecké uživatelské zařízení na těchto výsledcích nezávislý. FZÚ AV ČR se pro projekty HiLASE a ELI uchází o finance ze strukturálních fondů z Bruselu. Zdá se, že ČR tuto jedinečnou příležitost nezaspala a v případě úspěchu se na poli výkonových laserů stane velmocí.