Nezávislé informace o vědě a výzkumu

Lasery a světlo: síla českých vědců

11. 8. 2017

V České republice vznikla nová unikátní střediska pro laserovou fyziku: ELI a HiLASE. Laserový i optický výzkum má ale v zemi dlouhou tradici.

Je to nejdražší vědecké zařízení v Česku. Součástí moderního výzkumného centra Extreme Light Infrastructure (ELI Beamlines) v Dolních Břežanech u Prahy, které stálo 6,7 miliardy korun čili asi 250 milionů eur, bude brzy i nejvýkonnější petawattový laserový systém. Nese zkratku HAPLS. V součinnosti s českými fyziky z Akademie věd ČR byl vyvinut ve známých amerických laboratořích Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) a již prokázal svou jedinečnost– nejen světovým rekordem diodově čerpaných petawattových laserů.

V letošním roce by měl být osazen v přípražském ELI; se spuštěním provozu otevřeného pro mezinárodní vědeckou komunitu se počítá od roku 2018. „Laboratoř Lawrence Livermore je hrdá, že mohla přispět k posunutí vědeckých a technologických hranic do oblastí, které byly dosud nedosažitelné,” řekl livermoreský ředitel Bill Goldstein. „Před dvaceti lety byla LLNL se systémem NOVA Petawatt průkopníkem prvních takových laserů. Tento HAPLS nyní představuje novou generaci petawattových laserů s dosud nevídanými parametry,“ dodal. Letos v únoru vytvořil nový „superlaser“, jak o něm referují česká média, světový rekord s energií dosahující 16 joulů a délkou pulsu 28 femtosekund (což je ekvivalentní pulsnímu špičkovému výkonu asi 0,5 petawatt) při opakovací frekvenci 3,3 Hz (3,3krát za sekundu).

Pro astrofyziku i bezpečnost

Právě takzvané výkonové lasery otevřely v posledních dekádách nové směry bádání a to i s výrazným aplikačním a společenským dopadem, veřejností dnes tak poptávanou ingrediencí drahého výzkumu. „Při zacílení petawattových laserových pulsů se vytváří obrovská intenzita světelného pole a generují se sekundární zdroje, zejména elektromagnetické záření (například rentgenové paprsky s vysokým jasem) a urychlené nabité částice (elektrony, protony nebo ionty),“ vysvětlují dolnobřežanští vědci. Tyto sekundární zdroje umožňují nové možnosti pro řadu žhavých oblastí výzkumu, k nimž patří protonová a rentgenová radiografie, laboratorní astrofyzika, ale třeba i medicínské aplikace pro léčbu rakoviny. Lasery jsou též samozřejmě důležité pro vývoj aplikací na poli národní bezpečnosti, laserovou fúzi i hi-tech průmysl.

„Nikdy jsme nebyli s LLNL v klasickém vztahu klient-dodavatel. Přibližně deset našich vědců a inženýrů se v uplynulém období přímo podílelo na vlastním vývoji. Tato integrace je výraznou přidanou hodnotou nejen pro budoucí provoz systému, ale poskytla též našim odborníkům skvělou zkušenost,“ uvedl Bedřich Rus, vedoucí odboru laserových technologií na ELI, jenž je také jedním z duchovních „otců“ superlaserového centra. To české je součástí unijního konsorcia, jehož další části sídlí v maďarském Szegedu a rumunském Măgurele.
Tak složitý a veliký projekt, jenž jako evropská infrastruktura okupuje i „roadmapu“ ESFRI, se pochopitelně neobešel bez komplikací či zdržení. Kvůli financování byl rozdělen do dvou programovacích období (phasing), debatuje se o zajištění dostatečných zdrojů na provoz, ale vědci z ELI například nedávno uspěli v několika štědrých domácích grantech pro excelentní týmy, kdy se soutěžilo o celkem pět miliard korun (200 milionů eur) z ministerstva školství.

eli

Zdroj: Eli Beamlines

Lasery přímo pro průmysl

Menším bratříčkem je v Dolních Břežanech, v malé obci hned za Prahou, další supermoderní laserové středisko – HiLASE. V něm a v jeho čistých prostorách se už pár let, od zahájení provozu, běžně pohybují bíle odění vědci s ochrannými brýlemi na očích. Mezi nimi jsou ale také inženýři řady technologických firem, neboť právě toto centrum si jako své motto vytklo slogany „Nové lasery pro průmysl i výzkum“ a také „Superlasery pro skutečný svět“.

Zatímco se ELI profiluje jakožto centrum špičkového základního výzkumu, HiLASE má o hodně blíže k průmyslovým aplikacím. Vzniklo za 800 milionů korun (30 milionů eur) a sází na lasery s vysokým středním výkonem, tedy s velkou energií v pulzu a zároveň s vysokou opakovací frekvencí, jež jsou založeny na diodovém čerpání (DPSSL). Od loňska tam funguje mimo jiné nejsilnější stojoulové a desetihertzové zařízení s příznačným a ryze českým jménem Bivoj: výstřelem umí pozměnit vlastnosti kovů, čímž zpevní jejich povrch.

Pro tyto lasery se rýsuje mnohé průmyslové využití. Dolnobřežanští přemýšleli, nač se mají specializovat a netříštit síly, takže vloni rozeslali zhruba stovce firem v oboru, ústavům i univerzitám po celém světě dotazník, co je zajímá a co potřebují. Jako perspektivní se jeví tři oblasti: zmíněné laserové vytvrzování povrchu materiálů rázovou vlnou (peening), měření prahu poškození materiálů laserem a přesné a zároveň rychlé laserové mikroobrábění.

„Vytvrzování lehkých materiálů typu hliníku, titanu a jejich slitin prodlouží únavovou dobu jejich životnosti až sedmkrát,“ vysvětlují vědci. Kdyby se to využilo u kyčelních kloubů, zvýšením životnosti náhrad by se zamezilo komplikované reoperaci u starších lidí ve věku sedmdesáti osmdesáti let. Další použití se nabízí v letectví, výhledově i v automobilovém průmyslu, neboť při laserovém „vyklepání“ se zvyšuje odolnost a sníží se i hmotnost dílů.

Měření zátěže optických elementů v HiLASE zase využívají české firmy jako Meopta (čočky, teleskopy) či Crytur (krystaly). Podobných center je v Evropě jenom pár, v Německu, Francii a Litvě, jenže bývají přetížena. Za Prahou teď nabízejí i službu navíc: díky týmu fyziků a inženýrů nabídnou k naměřeným hodnotám i interpretaci výsledků a návrh řešení.

hilase2014

Zdroj: HiLASE

Teaming s britským STFC

Důkazem, že to dělají dobře, je nejen další ministerský grant pro excelentní tým profesorky Naděždy Bulgakovové, ale hlavně úspěch ve výzvě Teaming v rámci programu Horizon 2020. „Těsné vazby s britskými vědci máme už přes čtvrtstoletí. Rozvinuly se navíc tím, že STFC (Science and Technology Facilities Council) nám loni dodala náš největší laser, na jehož vývoji jsme se též intenzivně podíleli,“ řekl před časem Lidovým novinám šéf centra Tomáš Mocek – manažer, ale i vědec Fyzikálního ústavu Akademie věd se dvěma sty studií.

Na propojení britského a českého know-how půjde v dalších pěti letech 1,2 miliardy korun, což je 45 milionů eur. Inspirovat se Češi chtějí taktéž v převádění vědeckých poznatků do průmyslové praxe; jak si na sebe vydělávat. „Angličani jsou dobří obchodníci, a my se to od nich chceme naučit,“ říkají fyzikové s odkazem na Harwell Science and Innovation Campus poblíž Didcotu a také v Oxfordu, kde sídlí nejen Rutherford Appleton Laboratory (RAL). V ní úspěšně nabízejí kapacitu svých laserových systémů externím uživatelům, ale sídlí tam i další výzkumná střediska propojená s inkubátory a inovačními firmami. Ostatně: jen kousek od pražského letiště se rodí pozoruhodná oblast. Přezdívá se jíSTAR dle anglického akronymu Science and Technology Advanced Region. Poblíž je i velké biovědní středisko BIOCEV.

„Projekt HiLASE je s významnou spoluúčastí britských vědců z Central Laser Facility STFC praktickou ukázkou mezinárodní spolupráce ve špičkovém laserovém výzkumu. Taková mezinárodní součinnost je ve vědě velmi důležitá a v oblasti vývoje laserových technologií by měli mít čeští i britští vědci k dispozici díky unijnímu financování to nejlepší vybavení k dalším úspěšným objevům,“ míní Otakar Fojt, vědecký atašé britské ambasády v Česku.

Silná optika v Olomouci

K technologickému vybavení jsou ale zapotřebí i chytří lidé s nápady. Laserové fyziky vychovává Univerzita Karlova a ČVUT v Praze, jež mají i společné doktorské programy s Akademií věd. Lasery a využití světelného paprsku zkoumají i inženýři z VUT Brno, ale zvláště dobrý zvuk mají v optice olomoučtí vědci. „Optika je moderní věda s nesčetnými aplikacemi v běžném životě od brýlových čoček až po lasery. Na naší katedře optiky můžete studovat zákony geometrické optiky, které se uplatňují například při návrzích a konstrukci optických soustav, moderní optoelektronické systémy využívající lasery nebo fundamentální zákonitosti kvantového světa, kvantového počítání a zpracování informace,“ uvádí web katedry optiky Univerzity Palackého v Olomouci. Ani nepřekvapí, že jednu z nejčilejších spoluprací udržují výzkumníci s firmou Meopta v blízkém Přerově, která píše svou historii od roku 1933. Kromě jiného vyrábí puškové dalekohledy s laserovými zaměřovači a dálkoměry, kamerové systémy, noktovizory, laserové projektory a četnou další optoelektroniku. Využití světla je v Česku širokospektré: od základního výzkumu až po reálné a konečné výrobky.

 

Autor: Martin Rychlík

Článek byl v anglické verzi zveřejněn na webu www.czech-research.com.

Martin Rychlík

Testovací profil autora

Partneři webu a spolupracující instituce