Polski rekordowy laser

Dr Yuriy Stepanenko z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie przy stole optycznym z aparaturą laserową. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)

?w Warszawie (2011 rok) startuje budowa rekordowego lasera. Użyta nowatorska metoda wzmacniania światła spowoduje, że pojedyncze impulsy laserowe osiągną moc dziesiątków terawatów przy parametrach wzmocnienia rekordowych w skali świata. W większości laserów generujących ultrakrótkie impulsy wzmocnienie światła następuje dzięki klasycznej technologii z użyciem kryształów szafiru domieszkowanych jonami tytanu. Za pomocą zewnętrznego lasera do kryształu pompuje się energię, z której część jest następnie odbierana przez właściwą, wzmacnianą wiązkę laserową. Kryształy laserowe mają jednak wiele wad, na przykład silnie się nagrzewają i zniekształcają przekrój wiązki światła. Alternatywą są wzmacniacze parametryczne, wykorzystujące efekty optyki nieliniowej. Laser ze wzmacniaczem tego typu powstaje w Centrum Laserowym funkcjonującym przy Instytucie Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) w Warszawie i Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (FUW). ?Nasz cel jest prosty. Chcemy zbudować najbardziej efektywny i kompaktowy parametryczny wzmacniacz światła na świecie? ? mówi dr Yuriy Stepanenko z IChF PAN. Technologia wieloprzejściowego optycznego wzmacniacza parametrycznego NOPCPA (Noncollinear Optical Parametric Chirped Pulse Amplifier) jest rozwijana w Centrum Laserowym od kilku lat w zespole prowadzonym przez prof. dr. hab. Czesława Radzewicza (IChF PAN, FUW). Metoda polega na efektywnym przekazywaniu energii bezpośrednio z wiązki lasera pompującego do wiązki wzmacnianej. Narzędzia teoretyczne rozwinięte przez polskich naukowców w połączeniu z modelowaniem numerycznym pozwalają precyzyjnie optymalizować parametry wiązek i samego wzmacniacza. Zagadnienia te są niebanalne, ponieważ rozkłady natężeń pól są niejednorodne w czasie i przestrzeni, a dodatkowo wzmacniany impuls ma częstotliwość zależną od czasu (co fizycy nazywają świergotem). Ponieważ we wzmacniaczu parametrycznym energia nie jest nigdzie gromadzona, nie pojawiają się szkodliwe efekty termiczne, a wzmocnione impulsy mają doskonałe parametry. Wzmacniacz NOPCPA charakteryzuje się przy tym kompaktowymi rozmiarami: już na długości kilku centymetrów wzmocnienie może sięgnąć setek milionów razy. Teoretyczna sprawność wzmacniacza parametrycznego wynosi ok. 60%, jest jednak trudna do uzyskania i w dotychczas najlepszych urządzenia tego typu dochodzi do 30%. ?Nasz plan minimum to 40% efektywności, spróbujemy jednak pokonać barierę 50%? ? mówi dr Paweł Wnuk z IChF PAN. Naukowcy spodziewają się, że pierwsze impulsy o czasie trwania kilkunastu femtosekund i mocy 10 terawatów będą emitowane przez laser już na początku przyszłego roku. To jednak tylko początek drogi. ?Mamy nadzieję, że już obecna wersja wzmacniacza parametrycznego pozwoli nam wyprodukować impulsy przekraczające 100 TW? ? podkreśla prof. Radzewicz. Obliczenia wykazują, że impulsy laserowe o mocy 500 TW można byłoby wykorzystać do rozpędzania protonów do energii pozwalających na zastosowania w terapiach medycznych, na przykład antynowotworowych. Lasery o tak dużych mocach można dziś znaleźć tylko w kilku ośrodkach naukowo-badawczych na świecie. ?Mamy wszelkie podstawy przypuszczać, że nasza metoda wzmacniania światła może w przyszłości pomóc konstruować stosunkowo tanie lasery do akceleracji protonów, na dodatek na tyle zwarte, że byłyby w zasadzie urządzeniami przenośnymi? ? mówi dr Stepanenko. W ramach realizowanego projektu nowy laser zostanie wykorzystany do budowy dwóch układów demonstracyjnych. Pierwszy z nich, powstający we współpracy z Wojskową Akademią Techniczną (WAT) w Warszawie i Instytutem Fizyki PAN, będzie służył do tworzenia źródeł promieniowania rentgenowskiego o rozmiarach mikrometrowych. Źródła tego typu znajdują zastosowanie m.in. w mikroskopii rentgenowskiej, zwłaszcza w defektoskopii materiałów konstrukcyjnych. Drugi demonstrator będzie lidarem służącym do pomiaru zanieczyszczeń w atmosferze; w jego budowie będą uczestniczyć naukowcy z WAT-u.

źródło: Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk