Srdce nejvýkonnějších laserů 21. století

V technice o vláknech hovoříme jako o „strukturách s kruhovou symetrií, jejichž délka je mnohonásobně větší než radiální rozměr“. Většinou jsou vyráběna z dielektrik (z polymerů nebo ze skla) a používají se jako vlákna textilní, termoizolační nebo optická. Ta posledně jmenovaná využíváme každodenně pro přenos informací – při telefonování a přístupu k internetu, při platbě kartou, často při sledování televize… Slouží ale i ve vláknových laserech, které nacházejí uplatnění v medicíně, v obraně nebo v základním výzkumu.

Optická vlákna musí mít střed (světlovodné jádro) z vysoce čistého materiálu, o vyšším indexu lomu, než je okolí jádra (tzv. optický obal). Díky těmto vlastnostem dochází k jevu zvanému totální vnitřní odraz a světlo je přenášeno z jednoho konce na druhý (obr. 1).

1. Princip přenosu světla optickým vláknem (vnitřní totální odraz).

Snímek ÚFE AV ČR

Optické vlákno je vynález z poloviny šedesátých let minulého století, kdy vznikla nejen první optická vlákna, ale současně i lasery a vláknové lasery nutné pro optický přenos. Pro nás může být zajímavé, že první optické vlákno s tenkým jádrem umožňujícím šíření jen jediného módu (paprsku) pro přenos informací připravila v roce 1964 ve Francii skupina Jean-Claude Simona a Ericha Spitze, rodáka z Brna (viz rámeček). Tato struktura vlákna zaručovala nízké zkreslení přenášeného signálu, ale vlákna ještě měla vysoký útlum a nehodila se pro dálkový přenos.

Optická vlákna se dočkala ocenění Nobelovou cenou v roce 2009 (Charles K. Kao). Za vláknové zesilovače, umožňující optický přenos mezi kontinenty, byl vedoucí výzkumného týmu z Univerzity v Southamptonu v Anglii David N. Payne v roce 2013 povýšen britskou královnou do rytířského stavu. Vynález laseru byl oceněn nejvyšším vědeckým oceněním již v roce 1964 (Charles H. Townes, Alexandr M. Prochorov a Nikolaj G. Basov), vláknové lasery na svoje docenění teprve čekají.

2. Mikrofotografie nekruhového příčného řezu speciálním vláknem pro vláknové lasery.

Snímek ÚFE AV ČR

Vláknové lasery

Srdcem vláknových laserů jsou speciální optická vlákna, která slouží jako aktivní prostředí (viz Vesmír 103, 706, 2024/12). To znamená, že světlo (světelná energie) je generováno přímo jádrem optického vlákna, které však musí mít specifické vlastnosti. Vlákna pro vláknové lasery se od běžných telekomunikačních vláken liší tím, že zpravidla obsahují určité množství iontů prvků vzácných zemin (lanthanoidů)¹⁾ a často nemají kruhovou strukturu. Namícháním správného složení optického jádra lze dosáhnout různé vlnové délky záření laseru (jeho „barvy“ – obr. 5). Tvarováním vláken (obr. 2), umožňujícím vytváření tzv. double-clad (dvouplášťových) struktur, lze často dosáhnout zvýšení účinnosti, a tím i výkonu vláknového laseru.

Oproti jiným typům laserů mají ty vláknové řadu předností – mají skvělou účinnost, vysoký jas, jsou kompaktní, vzhledem k jejich rozměrům je lze dobře čerpat i chladit, a jejich paprsek je na výstupu téměř nerozbíhavý. První široce využívané vláknové lasery byly založeny na vláknech obsahujících v jádře ionty erbia (obr. 5), emitujících výkony v řádu miliwattů na vlnové délce okolo 1550 nm. V průmyslu se široce využívají vláknové lasery dopované ytterbiem, emitující na vlnových délkách v okolí jednoho mikrometru (1000 nm), s výkonem v řádu stovek wattů až jednotek kilowattů. Pro výjimečné aplikace jsou tyto lasery komerčně dostupné s výkonem přesahujícím 100 kilowattů. Pro obranné aplikace byl demonstrován vláknový laserový systém s výkonem přesahujícím 300 kilowattů a vysoce kvalitním výstupním svazkem. Takového výkonu se při zachování kvality svazku podařilo dosáhnout koherentní kombinací množství jednotlivých vláknových laserových zesilovačů.