i

Aktuální číslo:

2024/4

Téma měsíce:

Obaly

Obálka čísla

Staň se laserovým vědcem už na střední

Pár tipů, jak na to
 |  4. 4. 2022
 |  Vesmír 101, 260, 2022/4

Pokud tě baví fyzika a lasery, nemusíš se svým výzkumem čekat až na univerzitu. Centra HiLA SE a ELI Beamlines, patřící pod Fyzikální ústav Akademie věd České republiky, pořádají několik soutěží, které mohou nakopnout tvou vědeckou kariéru… Kdo ví? Třeba až k Nobelovce.

Laserový výzkum má v České republice dlouhou tradici. První lasery se u nás objevily v roce 1963, pouhé tři (!) roky po sestavení prvního laseru Theodorem Maimanem. Československo se tak stalo po USA a někdejším Sovětském svazu další zemí, která postavila vlastní laser. O několik desetiletí později vyrostla v Dolních Břežanech nedaleko Prahy moderní laserová centra na světové úrovni. „Díky kvalitnímu mezinárodnímu vědeckému týmu a špičkovým technologiím zde byly postaveny nejvýkonnější lasery světa, které našim vědcům dávají nepředstavitelné možnosti dalšího výzkumu,“ popisuje současnou českou laserovou fyziku Tomáš Mocek, vedoucí Centra HiLASE.

Talentová akademie

Jakub Semrád se před pár lety přihlásil do soutěže Talentová akademie,1) aby tam počítal kvantové tečky. „Naučili jsme se je vyrábět a měřit jejich velikost. Nikdo z nás se s tímto tématem předtím nesetkal, a tak jsme měli možnost si pořádně rozšířit obzory,“ popisuje začátek své vědecké kariéry. Díky úspěchu v soutěži mu laserové centrum HiLASE, stejně jako několika dalším, nabídlo letní stáž. „Vybral jsem si optickou dílnu. Naučil jsem se pracovat se sklem a vyrábět různé komponenty, čočky a zrcadla pro laserovou soustavu. Stáž mě bavila a v týmu jsme si sedli, proto jsem dostal nabídku dlouhodobé spolupráce. Dnes pracuji v optické dílně třetím rokem,“ vysvětluje Jakub, co se dělo dál. V současnosti studuje laserovou fyziku na ČVUT a o Talentovce říká, že mu ukázala, jakým směrem se ve fyzice vydat. „Na začátku budete mít pocit, že vůbec ničemu nerozumíte, ale to je naprosto normální. Talentovka je tu od toho, aby vás to naučila,“ dodává.

Centrum HiLASE

High average power pulsed LASErs. Vědecké výzkumné centrum Fyzikálního ústavu AV ČR . Hlavním cílem výzkumu je vyvinout nové laserové technologie – diodové (diode pumped solid state laser systems, DPSSLs) s vysokou energií v pulzu a zároveň vysokou opakovací frekvencí. V centru se rovněž testuje odolnost optických materiálů a vede výzkum zpevňování povrchu materiálu rázovou vlnou, přesného řezání, vrtání, svařování, mikroobrábění a čištění povrchů.

www.hilase.cz

ELI Beamlines

Evropské výzkumné centrum Fyzikálního ústavu AV ČR zaměřené na základní výzkum. Disponuje čtyřmi ultraintenzivními laserovými systémy, které pracují ve vzájemné součinnosti a díky svým vysokým špičkovým výkonům dávají vědeckým týmům z celého světa možnost provádět zcela nové typy experimentů. Umožňují nám např. zkoumat, jak se hmota chová za extrémních podmínek, simulovat prostředí panující uvnitř velkých planet nebo urychlovat částice bez nutnosti stavět obrovské urychlovače.

www.eli-beams.eu

Fyzikální ústav AV ČR (FZÚ)

Veřejná výzkumná instituce, která se zaměřuje na základní a aplikovaný výzkum v oblasti fyziky. Aktuální program ústavu zahrnuje šest hlavních oblastí: fyziku elementárních částic, fyziku kondenzovaných systémů a pevných látek, optiku, fyziku plazmatu a laserovou fyziku. FZÚ je největším pracovištěm Akademie věd s více než 500 výzkumnými pracovníky.

www.fzu.cz

Jestli se nebojíš sáhnout si na témata, o kterých jsi toho ve fyzice na střední škole ještě moc neslyšel, bude pro tebe Talentovka skvělou příležitostí, jak se ve vědeckém světě trochu porozhlédnout. Když uspěješ v prvním (on-line) kole a dostaneš se mezi dvanáctku nejlepších, čeká tě finále přímo v profesionálních laboratořích laserových center. Tam mají účastníci jen 2,5 dne na vyřešení komplexního problému z laserové fyziky. Kdyby ses například účastnil minulého ročníku, sestavoval bys atenuátor sloužící k tlumení laserového svazku.

Právě tlumení výkonu laserového svazku je jednou ze základních operací, která je při práci s lasery zapotřebí neustále. Příkladem může být charakterizace laserového svazku, kdy je potřeba utlumit výkon laseru tak, aby nedošlo k poškození použitých přístrojů (kamer, fotodiod, spektrálních analyzérů atd.). Tlumení výkonu se používá i pro aplikace a experimenty, které často potřebují různé úrovně výkonu při zachování stejné kvality výstupního svazku.

Nejjednodušší metodou, jak laserový svazek utlumit, je použití neutrálních filtrů, což jsou prvky, které část výkonu absorbují či odrážejí. Jejich nevýhodou je však nízký práh poškození, tedy úroveň energie či výkonu, při jejímž překročení dochází k jejich poškození. V případě svazků s vyšším výkonem se v praxi typicky umisťuje několik méně účinných tenkých filtrů za sebe tak, že nedojde k překročení jejich prahu poškození. Nicméně tato metoda bývá v mnoha případech náročná na velikost filtrů (kvůli snížení intenzity svazku) a jejich množství. Alternativou může být použití různých kapalin, které mají podobné absorpční vlastnosti. Výhodou atenuátorů vytvořených pomocí kapalin je docílení jakéhokoliv útlumu pomocí změny koncentrace barviva či délky optické trasy, v některých případech se dokonce používají jako beam dumpy (prvky sloužící k úplnému zablokování paprsku). Právě tento druh atenuátoru, využívající potravinářská barviva, měli účastníci Talentové akademie sestavit, namíchat příslušné koncentrace a plně zautomatizovat.

Pro začínající vědce tedy rozhodně nic jednoduchého. Aby účastníci úkol zvládli, vytvoří na místě týmy a rozdělí si své role. Každý finalista navíc nejprve projde školením laserové bezpečnosti a workshopem pro dané téma, ať už jde o optiku, chemii, konstruktérství, programování, nebo 3D tisk. Každý tým má také svého mentora, který mu pomáhá překonat nejrůznější nástrahy. Na závěr musí týmy svá řešení odprezentovat odborné porotě. Pokud ji zaujmou, dostanou možnost zúčastnit se letní stáže a zapojit se do skutečného vědeckého úkolu. Témata stáží jsou různá, od designu pro 3D tisk přes laserové strukturování až třeba po měření energie vysokých harmonických frekvencí na tenkých filtrech.

„Talentovka mi ukázala, že za špičkovými vědeckými pracovišti nemusíme jezdit daleko za hranice, ale stačí sednout na autobus v Praze na Kačerově a za pár minut jsme tam,“ říká Daniela Kropáčková, která stejně jako Jakub proměnila letní stáž v Centru HiLASE v další spolupráci.

Tři otázky pro vítěze

Odpovídá tříčlenný tým Nafta – Anime, výherce letošního prvního ročníku soutěže Science Challenge.

Science Challenge znamená výzvu. Jaká výzva pro vás byla v soutěži největší? • Výzev bylo v téhle soutěži vážně plno, od běhání a střílení s laserovou zbraní přes totální spánkovou deprivaci až po prezentování z posteru. Myslíme si ale, že největší challenge bylo rozdělit si efektivně práci, nesložit se z neočekávaných problémů a věřit, že se je nakonec podaří společnými silami vyřešit.

Váš tým se účastní řady fyzikálních soutěží, v čem byla tahle jiná? • Jsme zvyklí na dlouhodobou soutěž, na které se pracuje s větším týmem třeba celý rok. Science Challenge se koncentruje do necelých 24 hodin. Díky tomu jsme zažili adrenalin, který normálně nezažíváme. Bylo překvapivé zjistit, kolik jsme toho za pouhých pár hodin zvládli.

Co byste vzkázali studentům, kteří by o účasti v Science Challenge přemýšleli? • Je to hodně náročné, ale čeká vás unikátní zážitek. Musíte zkombinovat víc dovedností – stavíte, programujete, měříte a zpracováváte data. Nutí vás to dobře si rozdělit práci. A čas běží hrozně rychle.

Science Challenge

Možná si netroufáš vrhnout se do podobného dobrodružství hned na vlastní pěst. Pak můžeš vyzkoušet soutěž Science Challenge2), kterou letos laserová centra spustila poprvé. Hlavním rozdílem oproti Talentovce je, že od začátku pracuješ v týmu spolužáků a za podpory svého učitele fyziky nebo IT. Každý může přispět tím, co umí – ať už je to optika, fyzika, nebo programování. Letos studenti nejprve společně napsali program, který vzdáleně kontroloval laserové sety umístěné v centrech HiLASE a ELI Beamlines. Tři nejlepší týmy postoupily do finále, kde je čekala vědecká výzva přímo v laserových centrech. Tam už se k programování připojil i hardware, takže bez šroubováku, čoček a laserů se účastníci neobešli. Během čtyřiadvacetihodinového vědeckého maratonu měly týmy za úkol naprogramovat a sestavit přístroj pro měření kvality laserového svazku a svůj produkt odprezentovat potenciálním zákazníkům při závěrečné poster session.

Kromě programování, konstrukce a optimalizace měřicího systému se v Science Challenge naučíš, jak si rozdělit práci v týmu, odladit případné problémy a hledat nová řešení.

Otevřená věda

Jestliže tě láká spíš dlouhodobější spolupráce, můžeš vyzkoušet program Otevřená věda3). Roční vědecké stáže pro talentované středoškoláky se konají ve špičkových pracovištích Akademie věd ČR pod přímým vedením vědkyň a vědců. Stáž probíhá během celého roku, od ledna do prosince (vždy alespoň 8 hodin v měsíci), a přihlášky se podávají už na podzim. Jako stážista si povedeš svůj vlastní vědecký deník a na závěr odprezentuješ své výsledky na Studentské vědecké konferenci, na níž porota ocení ty nejlepší.

Pokud si chceš na vlastní kůži vyzkoušet, jaké to je stát se součástí špičkových vědeckých týmů, stačí se jen přihlásit. Není třeba čekat až na přijímačky, protože se skutečnou vědou se dá začít už teď! Zapoj se do soutěží, jako jsou Science Challenge a Talentovka (registrace se spouští už na jaře), sleduj online platformy pro začínající vědce a čti odborné články, vyzkoušej si publikaci svých prvních vědeckých úspěchů na JASB4), přihlas se na brigády ve vědeckých centrech nebo se přijď podívat na dny otevřených dveří (v laserových centrech například 14. května při příležitosti Mezinárodního dne světla).

Poznámky

1) www.talentovka.cz

2) www.sciencechallenge.cz

3) www.otevrenaveda.cz

4) JASB, recenzovaný vědecký časopis s otevřeným přístupem pro mladé vědce, journalasb.com

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Fyzika

O autorech

Jan Cvrček

Kateřina Brejchová

Doporučujeme

Přírodovědec v ekosystému vědní politiky

Přírodovědec v ekosystému vědní politiky uzamčeno

Josef Tuček  |  2. 4. 2024
Petr Baldrian vede Grantovou agenturu ČR – nejvýznamnější domácí instituci podporující základní výzkum s ročním rozpočtem 4,6 miliardy korun. Za...
Od krytí k uzavření rány

Od krytí k uzavření rány

Peter Gál, Robert Zajíček  |  2. 4. 2024
Popáleniny jsou v některých částech světa až třetí nejčastější příčinou neúmyslného zranění a úmrtí u malých dětí. Život výrazně ohrožují...
Česká seismologie na poloostrově Reykjanes

Česká seismologie na poloostrově Reykjanes s podporou

Jana Doubravová, Jakub Klicpera  |  2. 4. 2024
Island přitahuje návštěvníky nejen svou krásnou přírodou, ale také množstvím geologických zajímavostí, jako jsou horké prameny, gejzíry a aktivní...