Nowatorski laser w Warszawie

W Centrum Laserowym Instytutu Chemii Fizycznej PAN i Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego rozpoczęły się prace nad skonstruowaniem nowatorskiego lasera. W kompaktowym urządzeniu zostanie wykorzystana wyjątkowa metoda wzmacniania światła. Dzięki niej 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: IChF PAN