Výkonové lasery

energetika
Výkonové lasery
Dovětek k 50. výročí prvního laseru (viz Vesmír 89, 284, 2010/5)
Velký podíl na vynálezu laseru patří A. Einsteinovi. Ten již v r. 1917 publikoval, že při
odvozování Planckova vzorce pro spektrální
hustotu záření černého tělesa z bilance jím
postulovaných fotonů se neobejde bez předpokladu existence procesu „záporné absorpce“, tj. stimulované emise, kdy pole záření
nutí atomy či molekuly nacházející se na horní energetické hladině vyzářit svoji energii
ve formě dalších fotonů, a tak zvyšuje energii dopadající stimulující vlny. Tyto nové
fotony, pokud se vrátíme k vlnovému popisu dopadajícího světla, se navíc „zařazují“ do
dopadající světelné vlny v rytmu její fáze čili
nejen zvyšují její amplitudu, ale i způsobují její koherenci. Tento proces se pro názornost často přirovnává k pochodujícímu vojsku. Koherentní světelnou vlnu generovanou
stimulovanou emisí lze přirovnat k chůzi
vojenským krokem, nekoherentní stav k situaci po povelu „zrušit krok“. Hustota fotonů v zářivém poli je pak dána bilancí mezi
stimulovanou emisí, spontánní emisí (samovolným vyzařováním) a absorpcí. Einstein
zároveň odvodil, že mezi konkurujícími si
procesy spontánní emise, stimulované emise
a absorpce musí platit určité vztahy (dodnes
nazývané po něm). V případě černého tělesa v termodynamické rovnováze jsou horní energetické hladiny obsazeny vždy méně
než dolní, a tak se lze při dané teplotě dobrat k stacionárnímu stavu popsanému Planckovým vzorcem. Přemýšliví badatelé si však
uvědomili, že pokud stav termodynamické
rovnováhy opustíme a nějakým způsobem
zajistíme, aby alespoň na kratičký okamžik
vznikl stav se „zápornou teplotou“, kdy se
na horní hladině bude nacházet více částic
než na dolní (inverze hladin), tak díky procesu stimulované emise žádný stacionární stav
nenastane a množství fotonů neboli amplituda dopadající vlny začne lavinovitě narůstat –
dnes bychom řekli, že nastane laserový efekt.
Prvé laboratorní zesílení elektromagnetické
vlny však nenastalo ve viditelném laserovém
oboru vlnových délek, ale v oboru mikrovln.
Předchůdcem laseru1 byl tedy maser,2 zařízení, které pracuje na stejném principu (stimulovaná emise), avšak generuje mikrovlnné
záření. První maser sestavil Ch. H. Townes,
J. P. Gordon a H. J. Zeiger v roce 1953.3 Poté
vznikla myšlenka přenést tentýž princip do
viditelného oboru, tj. demonstrovat laserovou generaci. Od začátku však bylo jasné, že
zkrácení vlnové délky do viditelného oboru
nebude triviální. Větší energetická vzdálenost mezi vyzařujícími hladinami znamená,
že i doba života horní hladiny daná samovolným vyzářením procesem spontánní emise je s ohledem na zmíněný Einsteinův vztah
mezi koeficienty spontánní a stimulované
emise natolik krátká, že nemělo smysl manipulovat vyzařující atomy či molekuly pomocí
svazků apod. Stav s inverzí hladin bylo třeba pokud možno připravit přímo ve vhodném optickém rezonátoru. Proces vytváření
inverze hladin se nazývá „čerpání“ a dnes je
známo, že ho lze uskutečnit mnoha různými způsoby. Prvý laser však využíval optické čerpání a systém tří hladin, kdy absorbované fotony vnějšího impulsního světelného
zdroje převedou atomy či jiné částice v laserovém „aktivním“ prostředí na nejvyšší ze tří
hladin, odkud procesem spontánní emise či
jiným způsobem mohou rychle přejít na hladinu prostřední, která je zároveň horní hladinou laserového přechodu. Pokud je spontánní emise na prostřední hladině pomalejší
než její plnění z nejvyšší hladiny, nahromadí se stavy na této hladině a nastane inverze populace. Ta pak už jen čeká na rozvinutí procesu stimulované emise, při kterém by
atomy hromadně přecházely z prostřední na
nejnižší hladinu (laserový přechod), což je
doprovázeno lavinovitým nárůstem intenzity
světla – laserovým efektem. Z toho vyplývá,
že tříhladinový systém s optickým čerpáním
může nejlépe pracovat v impulsním režimu
(z nejspodnější hladiny je potřeba atomy nejprve rychle převést na nejvyšší hladinu a pak
čekat, až se naplní prostřední horní laserová hladina), že fotony čerpacího zdroje musí
být vždy energetičtější (kratší vlnová délka,
poměr energií laserových a čerpacích fotonů se nazývá kvantová účinnost) než fotony
laserového přechodu a také že nelze vystačit
jen se systémem dvou hladin. Museli bychom
totiž pak nutně čerpat světlem na vlnové délce vlastního laserového přechodu, horní hladina by se naplnila na úroveň spodní hladiny, systém by přestal absorbovat (stal by se
průhledným) a na horní hladině by se pak
už nikdy nemohla vytvořit potřebná inverze populace, tudíž by nemohl nastat laserový
efekt.4 Od jednoduché myšlenky tříhladinového systému s optickým čerpáním však vedla dlouhá cesta k jejímu uskutečnění. Nebylo
obtížné vybrat atomy mající systém tří hladin s vhodnými koeficienty spontánní emise.
Stačí zvolit laserový přechod se zakázaným
Karel Rohlena
RNDr. Karel Rohlena, CSc.
je vědeckým pracovníkem
sekce výkonových systémů
Fyzikálního ústavu AV ČR,
v. v. i., v letech 2001 – 2007
byl vedoucím badatelského
centra PALS (Prague Asterix
Laser System).
Abstract: High-power lasers by
Karel Rohlena. A brief history
of laser discovery is outlined.
An overview of high power laser
systems is given in the context
of laser inertial fusion. Future
plans for a construction of the
ultraintense repetitive laser
system ELI-Beamlines in the
Czech Republic are mentioned.
1) Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation.
2) Microwave Amplification by
Stimulated Emission of Radiation.
3) Mikrovlnnou maserovou
generaci uskutečnili v dutinovém
rezonátoru, do kterého v podobě
částicového svazku injektovali
předem vyselektované molekuly
čpavku na vyšší energetické
hladině příslušného přechodu.
Tím automaticky docílili uvnitř
rezonátoru inverze hladin
a maserový efekt byl na světě.
4) Dnes se systémem dvou
hladin pracují tzv. saturovatelné
absorbéry, užitečný prvek
laserové techniky.
http://www.vesmir.cz | Vesmír 89, listopad 2010
665
dipólovým přechodem, což omezí spontánní emisi, zatímco přechod z nejhořejší hladiny na prostřední by naopak měl být dipólově povolen. Oříškem byla volba vhodného
optického rezonátoru, kde měl šťastnou ruku
až G. Gould, zpočátku doktorand Townesově
Kolumbijské univerzitě, který navrhl použít
otevřený optický rezonátor, tj. dvojici paralelních zrcadel uzavírajících laserové prostředí mezi sebou. Gould je prý i autorem slova „laser“. Při práci si byl evidentně vědom
aplikačního i komerčního potenciálu tohoto
světelného zdroje. Vedl si vzorný laboratorní
deník a jeho stránky denně nechával certifikovat v cukrárně naproti své laboratoři, která
též poskytovala právní ověřování. Po vynálezu laseru začal na základě takto ověřených
stránek uplatňovat proti Townesovi a dalším
patentová práva. Spor se táhl velice dlouho,
ale Gould nakonec prosadil svou, i když soud
definitivně rozhodl v jeho prospěch až poté,
co původní patentová práva jeho konkurentů na laser vypršela. Hlavní práci na jeho
vývoji však vykonali budoucí nositelé Nobelovy ceny Townes na Kolumbijské univerzitě
a A. L. Schawlow v Bellových laboratořích,
kteří se pokoušeli vyvíjet infračervený laser.
Použili k tomu zdánlivě jednoduchý systém,
páry alkalických kovů se spektry podobnými vodíku a otevřený optický rezonátor, ale
agresivní páry ničily odrazivé plochy zrcadel
natolik, že se jim laserový efekt nepodařilo
prokázat. Úspěšný byl až v roce 1960 T. H.
Maiman v Kalifornii, který jako laserové prostředí použil tyčinku ze syntetického rubínu
ovinutou xenonovou bleskovou výbojkou
v tvaru spirály.5 Ač předběhl své současníky,
Nobelovu cenu nikdy nedostal. Té se dostalo v roce 1964 Townesovi spolu s dvěma Rusy
N. G. Basovem a A. M. Prochorovem, kteří
Inerciální termonukleární fúze
Výkonové lasery mají neobyčejný význam pro budoucí řešení energetického problému. Princip myšlenky je jednoduchý: opakovanými mikrovýbuchy (o ekvivalentu 50–100 kg TNT) skleněné či plastové kuličky s náplní
vymrzlé směsi těžkých izotopů vodíku deuteria a tritia docílit termonukleární sloučení deuteria s tritiem na helium a uvolněný neutron, který z místa mikrovýbuchu odnáší energii 14 MeV (pro srovnání – spálením atomu
uhlíku se uvolní energie jen asi 4 eV). Uvolňování energie výhradně ve formě vyletujících neutronů spolu s nepatrnou hmotností explodujícího terčíku
též vysvětluje, proč mikrovýbuch o relativně značném tritolovém ekvivalentu má zanedbatelné mechanické destruktivní účinky a lze ho uskutečňovat
např. v laboratorní vakuové komoře. Podobný proces probíhá v mnohem
větším měřítku i v obyčejné vodíkové bombě, kde ovšem tritolový ekvivalent
může obnášet i desítky Mt TNT. Součástí vodíkové bomby je iniciační štěpná
nálož uranu nebo plutonia neboli atomová bomba, jejíž rané stadium výbuchu slouží jako zdroj světla k stlačení sousední termonukleární nálože. To je
také důvod, proč vodíkovou bombu nelze jednoduše zmenšit do laboratorně
únosného měřítka, omezení vychází z existence kritického množství pro iniciační štěpnou nálož. Zmenšení vlastní termonukleární nálože ale nic nebrání. Proto se velmi záhy objevila myšlenka použít jako zdroj světla výkonové lasery. Podrobný rozbor ukazuje, že pokud by se mikrovýbuch podařilo
uskutečnit asi pětkrát za vteřinu a lasery použité ke stlačení paliva a zapálení reakce v několika miligramech tritium-deuteriového ledu v plastové kuličce by měly účinnost 5–10 % převodu elektrické energie do světelného impulsu o délce několika ns, nejenže by uvolněná energie dokázala tyto výkonové lasery zpětně „uživit“, ale ještě by byla schopna pohánět GW elektrárnu
kalibru Temelína, a to bez problémů s dlouhodobě radioaktivním jaderným
odpadem. Potřebné lasery by ale byly navíc nuceny generovat energii kolem
10 MJ světelné energie ve viditelné či UV oblasti spektra.
666
Vesmír 89, listopad 2010 | http://www.vesmir.cz
přišli s myšlenkou čtyřhladinového modelu
umožňujícího kontinuální (neimpulsní) činnost laseru.
Od prvního Maimanova prototypu doznala laserová technika ohromný rozmach.
Dnes jsou známy tisíce laserových prostředí schopných generovat koherentní světlo
na nejrůznějších vlnových délkách od daleké infračervené oblasti desítek μm do měkké rentgenovské oblasti desítek nm a jejich
využití je nesmírné.6 Prostředí s velkým zesílením umožňují generovat světelné impulsy
o veliké energii na základě jediného či několika málo průchodů impulsu laserovým zesilovačem.7 Ty je pak možno zřetězit. Původní
impuls generovaný v laserovém oscilátoru na
začátku řetězce je postupně zesilován průchodem dalšími laserovými zesilovači a upravován vloženými optickými prvky, které
určují jeho vlastnosti. Výstupní energie pak
může v nanosekundovém režimu dosahovat
až desítek kJ.
Požadavku pracovat v opakovacím režimu
s potřebnou účinností se nejvíce blíží plynový laser CO2, u nějž však naprosto nevyhovuje vlnová délka ležící v daleké infračervené oblasti. Potřeba vysoké výstupní energie
dále vyřazuje jódový laser, kde se základní vlnová délka dá celkem snadno převést
do viditelné oblasti konverzí v nelineárních
krystalech. Ale velká výstupní energie impulsu by vyžadovala značný průměr laserových
kyvet naplněných plynem a pak by bylo
obtížné zajistit účinné čerpání např. xenonovými výbojkami obklopujícími kyvetu tak,
aby došlo k potřebnému pročerpání celého
objemu plynu. Věc by se dala obejít nahrazením výbojek táhlými náložemi dostatečně brizantní výbušniny, kde jako zdroj světla slouží rázová vlna iniciovaná výbuchem
a šířící se plynným laserovým prostředím
v obětované kyvetě, ale tento způsob je pro
provoz elektrárny nepraktický. Excimerové
lasery typu KrF, do nichž se zpočátku vkládala velká naděje, neumožňují účinné zkracování impulsu do ns oblasti – pracují vlastně
ve volném režimu generace a délka impulsu
přesahuje desítky ns. Zbývá neodymové sklo,
protože monokrystaly YAG nejsou k dispozici v potřebné velikosti. To se dá uspořádat do
tvaru tenkých disků či desek střídavě umístěných do zesilovačů pod neodrazným Brewstrovým úhlem, kde pak obklopující výbojky čerpají jen dvojrozměrné útvary a na rozdíl
od plynových náplní je potřebné pročerpání
v principu možné. Podobně jako v případě
jódového laseru lze též původní infračervenou vlnovou délku účinně přetransformovat
dvojicí velkoplošných nelineárních krystalů
KDP dokonce do blízké UV oblasti. Účinnost skleněných Nd laserů čerpaných Xe
výbojkami je však méně než jednoprocentní a interval mezi výstřely může být až několikahodinový, aby se po každém výstřelu
vychladily skleněné desky. Protože jen malá
část spektra Xe výbojek je využita k excitaci Nd iontů, většina se změní v teplo. Přesto
se momentálně staví dva Nd systémy, které
dávají necelé 2 MJ světelné energie v blízké
UV oblasti za účelem demonstrace mikrovýbuchu. Jedním je právě spouštěný systém
National Ignition Facility NIF v severoamerickém Livermore, druhým Laser Megajoule
LMJ ve francouzském Le Barp u Bordeaux.
Při plné energii budou schopny zajistit několik výstřelů denně. Jejich účelem není výroba
energie, ale neutronů, které mají po zákazu
zkoušek nukleárních zbraní nahradit chybějící experimentální možnosti pro vojenský
výzkum. Pokud by se podařilo oddělit fázi stlačení termonukleárního paliva od jeho
zapálení, mohla by být tato obrovitá zařízení
zmenšena (asi 10×). To by ovšem vyžadovalo další pomocný laser dávající několik desítek kJ v pikosekundovém impulsu pro systém tzv. rychlého zapálení. Ani ten ale neřeší
potíž s nízkou opakovací frekvencí a chabou
účinností. K jejímu odstranění míří evropský
„elektrárenský“ projekt HiPER (High Power
Laser for Energy Research), kde má být systém rychlého zapálení kombinován s účinnými ns opakovacími lasery zajišťujícími kompresi paliva. Materiál na laserové prostředí
pro takovéto „zázračné“ lasery je již na obzoru a funguje v opakovacím systému „Mercury“ v Los Alamos. Jde o tzv. nanokeramiku
na bázi YAG dotovaného Yb. Slinuté nanokrystalky této látky spojují příznivou tepelnou vodivost velkých monokrystalů YAG
s optickou homogenitou skla. Generované
světlo na µm vlnové délce se pak nepatrnými krystalky v keramice téměř nerozptyluje
a keramické disky lze mezi výstřely účinně
chladit plynným heliem. Samotná náhrada
skla keramikou by však nestačila. Místo Xe
výbojek je třeba použít k čerpání laserové
polovodičové diody dávající místo spojitého
spektra monochromatické záření, jehož vlnová délka v červené oblasti leží velmi blízko
laserového přechodu v ytterbiových iontech
Yb3+ (absorpční pás okolo 0,94 µm je možno ideálně čerpat InGaAs laserovými diodami na 0,94 µm nebo 0,97 µm), tedy i kvantová účinnost je velmi příznivá a v keramice se
zbytečně neukládá přebytek nevyužité čerpací energie. Laserové diody se dnes spojují
do vodou chlazených lineárních či plošných
bloků a jejich vlastní elektrická účinnost bývá kolem 10–15 %, tj. opět několikanásobně
lepší než u Xe výbojek. U jejich zrodu stojí
další ruský nobelista z r. 2000 Ž. I. Alfjorov
(viz Vesmír 80, 32, 2001/1).
Úspěch projektu HiPER, jehož přípravného stadia se účastní i ČR, bude záviset na
výsledku vývoje velkých opakovacích keramických laserů, které jsou samy čerpány laserovými diodami. Jejich využití se dá očekávat i v klíčových oblastech průmyslu, např.
při regeneraci povrchu lopatek turbín leteckých tryskových motorů laserovým vyklepáváním (laser peening). ČR se do tohoto
vývoje zapojila projektem HiLASE, který je
ve stadiu schvalování. Dalším velkým evropským laserovým projektem je Extreme Light
Infrastructure ELI (jehož podstatná část
ELI-Beamlines má být vybudována v Dolních Břežanech). Opět se jedná o opakovací
systém, ale s velmi krátkým impulsem v obo-
ru desítek fs neboli s obrovskou intenzitou
osvětlení na terčíku kolem 1024 W/cm2 (současný systém PALS v ÚFP AV ČR dosahuje 1016 W/cm2). I jeho úspěch je závislý na
vývoji opakovacích keramických laserů, které v tomto případě budou použity k čerpání nelineárních parametrických krystalových zesilovačů označovaných jako OPCPA.
Zatímco budoucnost projektu HiPER bude
do jisté míry závislá na úspěšném zapálení
termonukleární fúze na systémech NIF či
LMJ, což se může rozhodnout již během 2–3
let, projekt ELI bude jako evropské vědecké uživatelské zařízení na těchto výsledcích
nezávislý. FZÚ AV ČR se pro projekty HiLASE a ELI uchází o finance ze strukturálních
fondů z Bruselu. Zdá se, že ČR tuto jedinečnou příležitost nezaspala a v případě úspěchu se na poli výkonových laserů stane velmocí.
Ö
Představa
architektonického
návrhu budovy
ELI‑Beamlines
v Dolních Břežanech
v místě, kde se nyní
nachází nefunkční
objekt bývalého
JZD. Vlastní laserová
laboratoř bude
umístěna v budově se
zatravněnou střechou
vpravo. Vzdálenější
nepravidelná budova
poněkud vlevo rovněž
se zatravněnou
střechou je objekt
HiLASE. (Viz Čs. čas.
fyz. 4–5/2010, http://
www.cscasfyz.fzu.cz)
5) Ionty chromu Cr3+, v malém množství nahrazující v krystalové mříži Al2O3 většinové ionty Al3+ a dávající rubínu,
podobně jako českému granátu – pyropu, červené zabarvení, absorbují světlo zářícího xenonu v žlutozelené oblasti
a jsou schopny ho vyzářit laserovým přechodem na 694 nm, tj. rovněž v červené barvě.
6) Tyto laserové systémy vykazují kromě široké škály vlnových délek i různé stupně zesílení, ale skoro všechny vyžadují
velice dlouhou dráhu zesilovaného svazku v optickém prostředí, což se dociluje mnohonásobným odrazem mezi zrcadly rezonátoru. Většinou má tedy výstupní zrcadlo rezonátoru jen malou propustnost, což si vynucuje nejen mnohonásobný průchod svazku aktivním prostředím, ale také jeho výraznou úzkost (paraxiálnost), protože jen ta část svazku,
která je téměř rovnoběžná s optickou osou laseru, se dokáže v otevřeném rezonátoru dostatečně dlouho udržet a zesílit; jeho divergentní část již po několika odrazech vycestuje ven z rezonátoru. Přesto existuje několik málo laserových
prostředí, která vykazují tak veliké zesílení, že jim k podstatnému zvýšení intenzity stačí jeden či několik málo průchodů
aktivním prostředím. Když je seřadíme sestupně podle vlnové délky, budou to plynové lasery na základě molekuly CO2
(10,6 µm) a jódového atomu I (1,3 µm), dále skleněné lasery, kde laserují příměsné ionty vzácných zemin, např. Nd3+
(1,06 µm), eventuálně Yb3+ (1,03 µm) a další ionty prvků vzácných zemin, a to buď ve skle, nebo v krystalu ytrium aluminiového granátu, tzv. YAG Y 3Al5O12, který se na rozdíl od skla vyznačuje velkou tepelnou vodivostí umožňující jeho
účinné chlazení. Alternativou k YAG je ytrium aluminiový perovskit YAP YAlO3. Dalším velmi důležitým monokrystalem
s velkým širokopásmovým zesílením v červeném konci spektra (0,65–1,1 µm) je safír dotovaný titanem označovaný jako
Ti:Al2O3 nebo též Ti:sapphire, ideální pro zesilování ultrakrátkých impulsů, nebo laditelný laser. Následují další plynové
lasery založené na exotických molekulách sloučenin vzácných plynů s halogenidy, tzv. excimery či exciplexy, např. KrF
(248 nm) nebo ArF (193 nm) a další, které mohou existovat jen v excitovaném stavu a po vyzáření se ihned rozpadají,
čímž automaticky vyprazdňují dolní laserovou hladinu. Tyto lasery generují v ultrafialové (UV) oblasti.
7) Pozoruhodným laserovým prostředím s velkým zesílením jsou i mnohonásobně ionizované atomy prvků se středním či
vyšším atomovým číslem, které byly zbaveny vnějších elektronů. Zbylé elektrony se uspořádávají do uzavřené vnější elektronové slupky s konfigurací podobnou příslušnému vzácnému plynu obyčejné Mendělejevovy tabulky, ale oproti normálním atomům s obsazenými slupkami d. Jde pak o ionty podobné neonu, např. Zn20+, Ar8+ apod. (s 10 zbylými elektrony),
ionty podobné niklu Ge4+, Se6+, Ag19+ (s 28 zbylými elektrony, jako má Ni, ale vnější slupkou podobnou Ar), ionty podobné
paladiu, např. Xe8+ (se 46 elektrony a vnější slupkou podobnou Kr) atd. Populace těchto iontů spontánně vznikající v laserovém plazmatu je možno využít pro činnost laserů pracujících v oboru měkkého rentgenovského záření.
http://www.vesmir.cz | Vesmír 89, listopad 2010
667