Kiedyś lasery femtosekundowe były konstrukcjami stricte naukowymi, wykorzystywanymi do badań. Teraz dąży się do tego, by je uprościć, by mogły opuścić laboratoria, wejść na stałe do przemysłu - mówi RMF FM Michał Nejbauer z produkującego takie lasery start-upu Fluence i Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie. Budowę tych laserów, wykorzystywanych też np. do korekty wzroku umożliwiło odkrycie naukowców, wyróżnionych w tym roku nagrodą Nobla z fizyki - Francuza Gerarda Mourou i Kanadyjki Donny Strickland. Drugą połowę nagrody otrzymał Amerykanin Arthur Ashkin za stworzenie laserowej pęsety, którą można przechwytywać cząsteczki, wirusy, a nawet bakterie.

REKLAMA

Grzegorz Jasiński, RMF FM: Gerard Mourou i Donna Strickland opracowali przełomową technikę CPA. Na czym ona polega?

Michał Nejbauer: CPA to technika wzmacniania impulsów światła laserowego. Kiedy wynaleziono lasery femtosekundowe, które generują impulsy światła trwające jedną biliardową część sekundy, moce szczytowe takich impulsów są na tyle wysokie, że ich nie można było już łatwo wzmacniać. Ta metoda, zaczerpnięta tak naprawdę z techniki radarowej, z lat 60., uwolniła możliwość osiągnięcia zupełnie nowego poziomu chwilowych mocy. Impuls femtosekundowy nie jest takim zwykłym laserem monochromatycznym, przez to, że jest bardzo krótki w czasie zawiera wiele komponentów spektralnych. To pozwoliło zastosować metodę, która polega na rozciągnięciu impulsu w czasie. Z femtosekund przechodzimy do pikosekund, a nawet nanosekund, obniżając moc szczytową. To umożliwia nam wzmocnienie jeszcze wciąż poniżej progu zniszczenia elementów optycznych. Potem te komponenty znowu spotykają się w jednym miejscu w czasie i przestrzeni, powodując powstanie ultrakrótkiego impulsu o bardzo wysokiej mocy szczytowej.

Jak można opisać ten proces rozciągania impulsu w czasie? Jak to się praktycznie odbywa?

Praktycznie chodzi o to, by nadać różnym komponentom spektralnym, z których składa się ultrakrótki impuls, różne drogi optyczne. W praktyce odbija się taki impuls przez elementy dyfrakcyjne, pryzmat albo siatki dyfrakcyjne, które w zależności od długości fali mają inny kąt ugięcia. Modyfikując tor poszczególnych fal o różnych długościach i składając ten impuls z powrotem, możemy wytworzyć impuls długi w czasie, z przodu są inne komponenty spektralne niż z tyłu. Mówimy, że światło ma taki świergot, stąd nazwa CPA (Chirped Pulse Amplification). Światło zachowuje swoją koherencję, przez cały czas można ten impuls przywrócić do pierwszej postaci, skompresować na tzw. kompresorze optycznym tak, by wszystkie składowe konstruktywnie interferowały i impuls z powrotem był krótki.

Metoda powstała w latach 80. Jak się potem rozwijała, jak doprowadziła do prac, które państwo prowadzicie?

Metoda istotnie nie ewoluowała. Cały czas opiera się na wykorzystaniu tradycyjnych elementów optycznych, np. siatek dyfrakcyjnych. Zmieniła się skala. W największych laserach te komponenty rozciągające impuls czy go ścieśniające są olbrzymich rozmiarów. Chodzi o to, by jak największe moce średnie można było skompresować do niewiarygodnie wysokich mocy szczytowych. Zmienił się właściwie tylko rozmiar tych układów optycznych. Trochę modyfikuje się tę metodę przy tworzeniu laserów światłowodowych, tu rozciąga się impuls trochę inaczej. Na światłowodach zapisuje się tzw. siatkę Bragga, to bardzo sprytny sposób rozciągania impulsu na długości zaledwie 10 centymetrów. Po odbiciu od takiej siatki impuls z femtosekundowego staje się nanosekundowy, w bardzo łatwy sposób. Natomiast kompresja w laserach światłowodowych jest bardzo trudna, bo jak tylko impuls zaczyna być femtosekundowy, z dużą energią, natychmiast może dojść do topienia się światłowodu.

Do czego takie nowoczesne lasery mogą się przydać? Gdzie jest dla nich zastosowanie?

Lasery femtosekundowe z wykorzystaniem techniki CPA pozwalają osiągnąć energie kilkudziesięciu mikrodżuli w impulsie. Taka energia jest niezbędna w procesie tzw. femtosekundowej mikroobróbki laserowej. Precyzyjna obróbka materiałów to podstawowe zastosowanie. Weźmy pod uwagę szkło, bardzo trudne w obróbce, szczególnie takie chemicznie utwardzane. Szybki w smartfonach, które wszyscy nosimy w kieszeni, ich zaokrąglenia, otwory w nich, są wykonywane właśnie z pomocą laserów ultraszybkich. Tam niezbędne są energie rzędu mikrodżuli.

Państwo prowadzicie prace nad najnowocześniejszymi laserami wykorzystującymi tę technologię. Proszę powiedzieć, w jakim kierunku to będzie szło dalej...

Lasery femtosekundowe jeszcze 10 lat temu były konstrukcjami stricte naukowymi, wykorzystywanymi do badań choćby spektroskopii femtosekundowej. Teraz przemysł powoli przekonuje się, że zastosowanie laserów femtosekundowych pozwala bardzo podnieść jakość produkcji elementów w skali mikro. Problemem jest wysoka niestabilność tych laserów i to, że proces generacji impulsów femtosekundowych był bardzo skomplikowany, szczególnie sama technika CPA z wykorzystaniem elementów optycznych, po których odbija się wiązka. Laser femtosekundowy był po prostu bardzo skomplikowaną konstrukcją. Teraz dąży się do tego, by go uprościć, by mógł opuścić laboratoria naukowe, wejść na stałe do przemysłu. Chodzi o to, by też obniżyć koszty takiego lasera, koszty serwisowania. Nasza spółka zajmuje się komercjalizacją laserów femtosekundowych całkowicie światłowodowych. To technologia, która pozwala wygenerować impulsy wprost ze światłowodu, to światło od pewnego etapu nigdzie nie wychodzi. Dzięki temu nie ma tam elementów, które się po jakimś czasie rozjustowują, choćby w wyniku zmian temperatury, czy trudnych warunków, jak drgania, czy zmiany wilgotności. Kierunek jest taki, żeby te lasery były tańsze i prostsze w obsłudze. Tym się właśnie zajmujemy.