Sciencemag.cz
Doporučujeme
Vysokorepetiční pokročilý petawattowý laserový systém HAPLS (High-Repetition-Rate Advanced Petawatt Laser System), který pro laserové centrum ELI Beamlines vyvíjí americká laboratoř Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), dosáhl významného milníku: demonstrace nepřetržitého provozu diodově čerpaného, vysokoenergetického femtosekundového petawattového laserového systému. Ten je nyní připraven k převozu do České republiky.
HAPLS vytvořil světový rekord pro diodově čerpané petawattové lasery s energií dosahující 16 Joulů a délkou pulsu 28 femtosekund (to je ekvivalentní pulsnímu špičkovému výkonu cca 0,5 Petawatt) při opakovací frekvenci 3,3 Hz (3,3 krát za sekundu).
Během pouhých tří let prošel HAPLS cestu od základního konceptu až do plně funkčního produktu s řadou rekordních parametrů. Systém HAPLS nyní představuje novou generaci diodově čerpaných, vysokoenergetických výkonových laserových systémů s inovačními technologiemi vyvinutými v minulých letech v programech laserové fúze podporovaných americkým Ministerstvem energetiky (Department of Energy).
“Laboratoř Lawrence Livermore je hrdá na to, že mohla přispět k posunutí vědeckých a technologických hranic do oblastí, které byly dosud nedosažitelné,” říká Bill Goldstein, ředitel LLNL. “Před dvaceti lety byla LLNL se systémem NOVA Petawatt průkopníkem prvních petawattových laserů. HAPLS nyní představuje novou generaci petawattových laserů s dosud nevídanými parametry.”
Výkonové lasery otevřely během uplynulých několika desetiletí nové oblasti vědeckého bádání s výrazným společensko-aplikačním dopadem. Při fokusaci petawattových laserových pulsů na terč se vytváří obrovská intenzita světelného pole a generují se sekundární zdroje, zejména elektromagnetické záření (např. rentgenové paprsky s vysokým jasem) a urychlené nabité částice (elektrony, protony nebo ionty). Tyto sekundární zdroje vědcům umožňují bezkonkurenční nové možnosti pro realizaci celé řady oblastí výzkumu, zahrnující například protonovou a rentgenovou radiografii, laboratorní astrofyziku a další vědecké programy včetně medicínské aplikace pro léčbu rakoviny. Dále přispějí k vývoji aplikací na poli národní bezpečnosti a průmyslových procesů, jako jsou nedestruktivní testování materiálů a laserová fúze.
Až dosud měly všechny experimenty charakter důkazu proveditelnosti a byly prováděny pomocí laserů poskytujících pulsy s nízkou opakovací frekvencí (tzv. single-shot lasers). Tyto experimenty nám umožnily zběžně nahlédnout do sféry transformačních aplikací, nicméně pro komerční využití jsou nutné lasery s vysokou opakovací frekvencí.
“Vysokorepetiční laserový systém HAPLS znamená pro laserovou komunitu rozhodující předěl,” říká Constantin Haefner, programový ředitel pro pokročilé fotonové technologie LLNL, “HAPLS je prvním petawattovým laserem, který poskytuje skutečně využitelné vysokorepetiční pulsy pro aplikační výzkum.”
Díky mnohaletým zkušenostem a aplikaci poznatků nejmodernějšího laserového výzkumu dokázala LLNL realizovat klíčová vylepšení, která odlišují HAPLS od ostatních petawattových laserů. Realizované inovace, umožňující laserovému systému HAPLS generovat petawattový výkon při nebývalé kadenci pulsů, zahrnují mimo jiné nejvýkonnější moduly impulsních laserových diod na světě, inovativní impulsní napájecí systém, čerpací laser schopný poskytovat pulsy s energií až 200 J při repetici 10 Hz, heliem chlazený krátkopulsní titan-safírový zesilovač, sofistikovaný řídicí systém s vysokým stupněm automatizace, systém rychlého startu laseru, systém monitorování výkonu a strojové bezpečnosti, čelo laserového řetězce s dvojstupňovou kaskádou zesílení frekvenčně rozmítnutého signálu pro zajištění vysokého kontrastu pulsů a čerpací laser poskytující bezúdržbově miliardu výstřelů pro buzení krátkopulsních předzesilovačů. Kormě výše uvedeného je HAPLS i nejkompaktnější PW laserový systém, který kdy byl postaven.
Fyzikální ústav Akademie věd vyzval k spolupráci na vývoji tohoto jedinečného laseru americkou laboratoř Livermore právě kvůli její odbornosti a mnohaletým zkušenostem. “Bylo to docela jasné,” říká Roman Hvězda, projektový manažer centra ELI Beamlines. “Vzhledem k náročným požadavkům nemohl nikdo jiný vyvinout daný systém v tak rekordně krátkém čase a za jasně daného rozpočtu. Je to velká výhoda, že jsme mohli spolupracovat s tak kvalifikovanou a zavedenou laboratoří, jakou Livermore bezesporu je. Vytvořili jsme tím pevné základy pro budoucí možnou spolupráci.”
Součinnost při vývoji laserového systému byla kooperací v pravém slova smyslu. Vědci z ELI Beamlines a z Livermore společně pracovali den co den na všech částech laserového systému.
“Jedním ze skutečných úspěchů našeho úsilí bylo, že klient byl velmi brzy vtažen do zprovozňování a testování tohoto laseru,” říká Haefner. “Získal tak odborné znalosti a praktické zkušenosti přímo na místě, což pomůže zajistit hladký průběh spuštění a provozu, až bude laser instalován na ELI Beamlines. Bereme to jako příslib dlouhodobého a trvalého partnerství.”
Bedřich Rus, vedoucí programu laserových technologií na ELI Beamlines, souhlasí: “Nikdy jsme nebyli v klasickém vztahu klient-dodavatel. Přibližně deset našich vědců a inženýrů se v uplynulém období v LLNL přímo podílelo na vlastním vývoji. Tato integrace je výraznou přidanou hodnotou nejen pro budoucí provoz systému, ale poskytla též našim odborníkům skvělou zkušenost a vynikající přínos jejich profesionálním kariérám.”
V následujících měsících bude HAPLS převezen do ELI Beamlines. Zde se bude znovu sestavovat a integrovat s centrálním řídicím systémem a bude napojen na transport laserových svazků směrem k experimentům. Poté bude jeho výkon zvýšen na plnou projektovanou hodnotu, při níž bude systém poskytovat špičkovým výkon přesahující 1 PW (kvadrilion wattů) při opakovací frekvenci 10 Hz. Tím HAPLS překoná svůj dosavadní rekord a stane se petawattovým laserovým systémem s nejvyšším průměrným výkonem na světě. ELI Beamlines plánuje zpřístupnit laserový systém HAPLS mezinárodní vědecké uživatelské komunitě v roce 2018.
“HAPLS byl velmi rychlý projekt,” říká Haefner. “Během tří let jsme posunuli technologické hranice v oblasti výkonových krátkopulsních laserů více než desetinásobně. K tomu, abychom toto dokázali, nám napomohla úzká spolupráce s průmyslem a některé produkty, které jsme společně vyvinuli, jsou již teď na trhu. Takováto partnerství jsou neuvěřitelně synergická a jejich výsledkem jsou vynikající a pro společnost užitečné technologie jako např. HAPLS.”
