ELIAS

Ve vědeckém centru ELI Beamlines používáme lasery s  vysokými výkony v  ultrakrátkých impulsech pro základní výzkum extrémních stavů hmoty. Náš největší laser L4 ATON může vygenerovat přes 1500 J v jednom výstřelu. Na tuto energii zesílí laser výbojkově čerpané zesilovače z  neodymových skel. Zesilovaný impuls má časovou délku zhruba 3 ns. Za tuto dobu fotony ve vzduchu urazí 90 cm. Aby se dosáhlo špičkového výkonu např. 10 PW, je potřeba zkrátit dobu trvání impulsu do oblasti femtosekund, přesněji 150 fs. V  tomto případě světlo urazí pouze 45 µm, tedy o trochu méně, než je průměrná tloušťka lidského vlasu.

K  provedení časové komprese je potřeba mít velmi specificky upravený vstupní širokospektrální impuls a časový kompresor, který po zesílení zkrátí dobu trvání impulsu o 4 řády a zároveň zachová většinu energie. Proces se nazývá CPA (zesilování rozmítnutého impulsu, viz též Vesmír 92, 80, 2013/2) a  byla za něj udělena Nobelova cena v  roce 2018. Práce nobelistů Géralda Mouroua a Donny Stricklandové byly založeny na mřížkovém kompresoru, který v roce 1969 navrhl E. B. Treacy, a také na rozmítači impulsů (Pulse Stretcher), který představil O. E. Martinez v roce 1984.

V případě laseru ATON jsou v kompresoru použity vysoce účinné difrakční mřížky s dielektrickými multivrstvami vyvinuté v  Lawrence Livermore National Lab (LLNL). Vzhledem k tomu, že komprimovaný impuls se  složí do výsledné podoby až na poslední mřížce, je tato vystavena nejvyšší zátěži, a  velikost výsledného laserového svazku se proto řídí prahem jejího poškození a  zároveň možnostmi litografické výroby mřížek. Apertura laseru ATON byla tedy nastavena na velikost 65×65  cm. Výsledný svazek je potřeba pomocí zrcadel s úhlopříčkou 1,2 m navést do experimentální komory, kde dopadne na fokusační parabolu.

Odolnost a kvalita optických vrstev je pro lasery stejně důležitá jako pneumatiky pro auta. Nemá cenu zvyšovat maximální výkon, pokud to nevydrží pneumatiky. V  případě projektu ELI bylo velmi složité najít vhodného výrobce zrcadel s extrémními požadavky laseru ATON s ohledem na jejich výdrž, velikost nebo např. uniformitu jejich parametrů.

Vakuová komora ELIAS. Na snímku vyndavání desetipetawattové off-axis paraboly po napaření.

Po konzultacích s partnery z největších laserových laboratoří jsme se rozhodli s podporou projektu IMPULSE vytvořit vlastní laboratoř pro depozici tenkých vrstev ELIAS – ELI Advanced deposition System. Největší inspirací byla depoziční aparatura v  Sandia Labs v  USA, ale využili jsme i  zkušenosti z  laboratoře pro laserovou energetiku (LLE) v  Rochesteru nebo z  firmy Spectra Physics, která provozovala dnes již rozebranou komoru z Lawrence Livermore National Laboratory.

Vakuová komora ELIAS je s  velikostí 2,5×2,5×2,4  m  jednou z  největších aparatur na světě pro laserovou optiku. Vlastní technologie je založena na napařování pomocí dvojice elektronových děl, která intenzivním svazkem elektronů roztaví oxidy nebo kovy v kelímcích; odpařený materiál dopadne na optické elementy rotující u stropu komory. Systém je doplněn o odporový napařovač kovů. Planetární systém rotující optikou v  komoře ELIAS má momentálně kapacitu pro jeden substrát o velikosti 1,2 m nebo 3 kusů o velikosti 1 m. Vlastní komoru navrhl Dr. Jim Oliver z firmy Vacuum Innovations a vyrobena byla firmou Streicher. Sestavení a  integrace byly provedeny personálem ELI v Dolních Břežanech.

Depozice pomocí elektronových svazků je charakteristická vyšší porozitou vrstev, což umožňuje mimo jiné absorpci vlhkosti, a  tedy i  proměnlivosti optických parametrů. Další výzvou je rozdílná dilatace vrstev a  substrátů s  nízkou tepelnou roztažností, jako je křemenné sklo či různé sklokeramiky. Po ochlazení z depozičních cca 200 °C na pokojovou teplotu dochází k tahovému pnutí a  vrstvy nejenže deformují optiku, ale hlavně vlásečnicově praskají (anglicky crazing). Řešením je přidání plazmového generátoru, který vytváří ionty jemně bombardující povrch vznikajících vrstev. V  rámci projektu THRILL jsme nechali vyrobit prototyp největšího dostupného plazmového generátoru s  výkonem 10  kW a  integrovali do komory ELIAS. Jeho nespornou výhodou je, že může fungovat pouze s kyslíkem bez obvyklého argonu, takže je minimalizována kontaminace.

Parabola z křemenného skla v planetárním držáku má hmotnost 150 kg.

Nejprve jsme v  komoře vyvinuli proces depozice zlatých vrstev s  ochrannou vrstvou SiO2 a mezivrstvou chromu. Tyto vrstvy s  optimalizovaným prahem poškození byly použity pro zrcadla transportu L4 ATON svazku po kompresi a také na hlavní fokusační parabolu. Mají nižší práh poškození a vyšší absorpci než dielektrické vrstvy, ale jejich vývoj je mnohem rychlejší. Klíčovou součástí úspěchu je postup extrémního čištění optiky před depozicí a rovněž bezpečná manipulace optik s hmotností až 200 kg.

Napařená zrcadla vydržela na konci roku 2025 rekordní špičkový výkon 5 PW při energii impulsu téměř 800 J.

Úspěšně jsme vyvinuli a použili antireflexní vrstvy z hafnia a SiO2 s vysokým prahem poškození i na oknech o průměru 1,2 m. Nyní se soustředíme na vývoj vysoce odrazných multivrstev z  dielektrických oxidů s  maximální možnou uniformitou na celé apertuře. Finální komprimovaný laserový impuls laseru ATON si můžeme zjednodušeně představit jako kvádr, letící rychlostí světla, o  rozměru 60×60  cm s tloušťkou 45 µm a duhovými barvami (v neviditelné části spektra) kolem 1060 nm. Aby byla zajištěna superpozice všech „barev“ i po odrazu, musejí mít odrazné multivrstvy o  tloušťce několika µm identické parametry na celé ploše. Tolerance se ještě zpřísňují pro kratší impulsy ostatních laserů s  vyšší šířkou pásma, resp. barevností. Ještě větší výzvou jsou difrakční mřížky, jejichž depoziční proces také vyvíjíme, protože ty musí projít vysoce přesným a agresivním litografickým procesem.

Prototyp plazmového zdroje o průměru 65 cm a výkonu 10 kW, bombardujícího vznikající vrstvy.

Momentálně dosahovaná světově unikátní uniformita multivrstev ±0,1  % na ploše 1,2 m je zásadním krokem na cestě k využití extrémních parametrů nejvýkonnějších laserů pro experimentální fyzikální výzkum v projektu ELI.

Laboratoř ELIAS je otevřena spolupráci s dalšími partnery z oblasti výzkumu i průmyslu.