Yuya Koshiba: S lasery z Dolních Břežan do vesmíru

Y. Koshiba v laserové laboratoři Centra HiLASE

Jaká byla vaše cesta na pracoviště HiLASE v Dolních Břežanech?

Během mého doktorského studia v Japonsku jsem měl možnost absolvovat stáž v roce 2017 právě zde a dozvědět se více o laserech, které se zde vyvíjejí. Po dokončení doktorátu jsem chtěl pokračovat na postdoku v zahraničí. HiLASE je špičkové pracoviště, tak jsem zjišťoval, zda by pro mě měli místo.

Přišel jsem sem v roce 2022 a můj vedoucí mi řekl o programu MERIT Středočeského inovačního centra (SIC), který zapojuje zahraniční vědce do výzkumu ve Středočeském kraji a podporuje je. Přihlásil jsem se a následně získal financování. SIC nabízí finanční podporu na 30 měsíců.

Co je výhodou financování vašeho výzkumu z MERIT programu oproti jiným typům financování například u vašich kolegů?

Je skvělé, že peníze z Mobility Programme for Excellence in Research, Innovation and Technologie (MERIT) jsou flexibilní, takže pokryjí jak můj plat, tak výjezdy na konference či nákupy některého vybavení a potřeb k práci v laboratoři. To je na tomto typu financování skvělé, že mám důvěru a můžu s penězi nakládat poměrně volně. Je to rozdíl oproti jiným, často velice rigidním grantům, které mají moji kolegové. Dokonce mám vyšší plat než v Japonsku.

Plánujete zde zůstat i po ukončení programu MERIT?

Ano, jsem tady velmi spokojený a chtěl bych ve svém výzkumu pokračovat, ještě zdaleka nejsem se svým projektem u konce.

Y. Koshiba v laserové laboratoři Centra HiLASE 

Tenkodiskové lasery nejen pro vesmírné aplikace

Na čem v HiLASE pracujete?

Jedním z hlavních výzkumných směrů je vývoj laserů a já jsem součástí ALD laboratoře (Advanced Laser Development Department), kde vyvíjíme tzv. thin-disk lasery, kde je laserové světlo generované prostřednictvím tenkých disků. Lasery mají vždycky tzv. aktivní médium. Tradičně se používalo aktivní médium ve formě tenkých tyček, něco, co znáte například z laserových ukazovátek. V momentě, kdy potřebujete generovat silnější a výkonnější laser, tak tyčky přestávají stačit, jelikož takový laser generuje velké množství tepla. Tenké disky je jednodušší chladit. Ve vesmíru, kde schází atmosféra, představuje chlazení značnou výzvu a technická zařízení se mohou zbavovat tepla pouze vyzařováním energie.

Disk funguje jako zesilovač laserového paprsku, součástí laserové aparatury jsou také různá zrcadla, která paprsek směrují. Cílem je vytvořit nový typ laserového zesilovače využívajícího materiál nazývaný Ho:YAG, který může emitovat světlo kolem 2090 nm.

Y. Koshiba s kolegou v ALD laboratoři, thin-disk laser PERLA

Co je to za materiál?

Ho je zkratka pro Holmium. Je to prvek ze skupiny lanthanoidů, bílý přechodný kov. Iont Holmia je součástí tzv. YAG krystalu, který potom funguje jako samotný laser. V Turnově působí firma CRYTUR, která tyhle krystaly vyrábí, takže s nimi spolupracujeme.

Váš projekt má za cíl vyvinout výkonný laser, který pracuje na specifické vlnové délce 2 µm. Jaká je klasická vlnová délka u laserů a proč je potřeba vyvinout zrovna tenhle?

Nejběžnější jsou lasery s vlnovou délkou okolo jednoho mikrometru. Když už jsme zmínili laserové ukazovátko, tak pokud bude červené, jeho vlnová délka je 634 nanometrů, což je ještě světlo ve viditelném spektru. Lasery, se kterými pracujeme, už vidět nejsou.

Proč je třeba vyvinout laser o délce 2 µm? Lasery s vlnovou délkou jeden mikrometr už narazily na svoje maximum, nedají se vylepšit. Proto jsme se přesunuli na jinou vlnovou délku. Navíc se objevují různé aplikace, na které už lasery s vlnovou délkou 1 µm přestaly stačit.

Jak vlastně vizualizujete lasery, které nejsou z podstaty své vlnové délky vidět?

Namíříme je na zeď nebo na papír a máme speciální kamery, které jsou schopny „vidět“ tyhle vlnové délky.

Pro jaké aplikace bude možné váš laser použít?

Nás výkonný 2 µm laser by mohl sloužit jako senzor atmosférických plynů. Jedním ze směrů výzkumu, na které se v HiLASE soustředíme, jsou aplikace ve vesmíru, takže tyhle lasery by se v budoucnu daly například připevnit na satelity a mohly by zkoumat složení plynů třeba na Marsu.

Stejně tak je možné tyto lasery použít při samotné komunikaci mezi jednotlivými satelity a Zemí. Dvoumikronový laser má totiž zejména v atmosféře mnohem stabilnější paprsek než ty dosud využívané ve vesmíru. Vesmírná komunikace tak díky němu může být jednodušší.

Najde diskový zesilovač využití nejen ve vesmíru, ale i na Zemi?

Náš zesilovač se bude používat pro laserové pulzy o vysoké energii v laboratoři. Jedna aplikace se jmenuje LIDT (Laser Induced Damage Threshold). Jelikož tento laser bude vysoce účinný a silný, může se používat k testování kvality a odolnosti různých materiálů, které mají využití v náročných provozech nebo právě ve vesmíru. Další aplikace je možná například ve zdravotnictví při některých typech vyšetření.

Jak velký je tým, který na laseru pracuje?

Můj tým tvoří čtyři lidé. To je skupina, která pracuje na zmíněném tenkodiskovém zesilovači. Nicméně do celého projektu je zapojeno více laboratoří, i partnerů z firem a jiných vysokých škol. Každý se soustředí na svou část finální laserové aparatury.

Jak daleko jste s vývojem laseru?

Jsme teprve na začátku, ve fázi základního výzkumu. Musím nejprve ukázat, že to funguje, tak, jak si myslíme, a jak jsme celý zesilovač, ale i aparaturu navrhli. Musíme potvrdit, že dokážeme produkovat takto silný světelný laserový signál.

Detail na konstrukci laserového systému, který Y. Koshiba vyvíjí

Lepší než v Japonsku

Pocházíte z Japonska, jak se vám žije v České republice, v Dolních Břežanech?

Vzhledem k tomu, že naše centrum je opravdu multikulturní a já sám bydlím v Praze, tak nemám žádný problém s jazykem nebo s tím, abych zapadnul. Jsem tady velice spokojený, všichni jsou moc milí a přátelští.

Jak se obecně pracuje v HiLASE? Na jaké úrovni je tady výzkum ve srovnání s Japonskem?

Na vysoké. Máme například tzv. čistou místnost, kam se chodí ve speciálním obleku a je v ní čištěný vzduch, což je nutné pro přesnou práci s citlivými laserovými aparaturami. Jedině tak můžeme dělat práci na té nejvyšší úrovni. V Japonsku jsme tuto čistou místnost neměli. Obecně je vybavení laboratoří nové a moderní. Navíc v sousedství máme další špičkové pracoviště ELI Beamlines, takže můžeme sdílet nápady a některé vybavení. Je tady obecně velmi dobré prostředí pro výzkum na špičkové úrovni a já jsem rád, že si to SIC uvědomuje a umožňuje zahraničním pracovníkům zde pracovat.

Máte už nějaké plány do budoucna?

Ty se zatím dělají těžko, jelikož je přede mnou ještě hodně práce na stávajícím projektu, který bude ještě vyžadovat spoustu optimalizací. Bylo by skvělé, kdyby se můj laser opravdu dočkal finální aplikace. K tomu je však ještě dlouhá cesta.

Y. Koshiba v atriu Centra HiLASE, v pozadí názvy laserových systémů

 

Autorka: Vendula Lužná (VědaVýzkum.cz)

Rozhovor vyšel v rámci copywritingové spolupráce, jejímž cílem je upozornit na služby pro výzkumníky, výzkumná centra a inovativní firmy, které nabízí Středočeské inovační centrum. 

---

Yuya Koshiba získal doktorát v roce 2022 na Waseda University v Japonsku, kde pracoval na elektronových urychlovačích a laserech. Jejich kombinace využíval ke generování rentgenových paprsků. V současnosti působí jako postdoc v Centru HiLASE v Dolních Břežanech, kde pracuje na vývoji vysoce účinných silných tenkodiskových laserů. Jeho pobyt je financován z programu MERIT Středočeského inovačního centra.