Technologia i Zastosowania Laserów 2012

Europejskie projekty laserowe 

Europejskim ekwiwalentem amerykańskiego laboratorium NIF (National Ignitron Facility) jest eksperyment HiPER (High Power Laser Energy Research Facility). Celem tych systemów jest laserowo wspomagana reakcja fuzji jądrowej metodą ograniczenia inercyjnego. Innym eksperymentem w Europie o podobnych charakterze jest Laser Megajoule. W pewnych fragmentach eksperymentu HiPER i jego podprojektach uczestniczą reprezentanci WAT oraz IFPiLM. W bardziej tradycyjny sposób, lasery dużej mocy są stosowane do: obróbki materiałów jak spawanie, cięcie, wiercenie, lutowanie, znaczenie, modyfikacja powierzchni, wielkoskalowe wyświetlacze laserowe, teledetekcja militarna, zastosowania medyczne w chirurgii, wojskowe aplikacje jako broń przeciw rakietowa; laserowo zasilane akceleratory cząstek, laserowa generacja plazmy, laserowo zasilana transmutacja materiałów i generacja neutronów.

Badane lasery wielkiej mocy są zwykle zasilane przez dużej mocy matryce diod laserowych. Optymalizowana jest w takich układach laserowych całkowita efektywność energetyczna. Stosowane są metody unikania zniszczeń w optyce laserowej w laserach z przełączaną dobrocią pracujących z wielkimi natężeniami wiązki. Stosowane są adekwatne optyczne efekty nieliniowe do budowy laserów światłowodowych wielkiej mocy, takie jak: stymulowane rozpraszanie Ramana, Brillouina oraz mieszanie czterofalowe. Przedmiotem badań w laserach wielkiej mocy jest skalowalność generowanej mocy optycznej oraz optymalny dobór architektur skalowalnych.

Krajowe zespoły badawcze (WAT, PW, IFPiLM, IF PAN, PWr i inne) biorą udział w kilku dużych Europejskich i międzynarodowych programach rozwojowych w zakresie techniki laserowej o zakresie globalnym. Te projekty zawierają np. ELI, HiPER, EXFEL, FLASH i inne. Niektórzy badacze z kraju również współpracują z takimi wielkimi eksperymentami jak LIFE, NIF, ALMA itp.

Projekt Ekstremalnej Infrastruktury Światła ELI dotyczy budowy systemu laserów eksawatowych generujących ultrakrótkie impulsy o czasie trwanie rzędu 10 fs i gęstości mocy powyżej 1023 W/cm2. Ten laser będzie używany do następujących celów: badanie interakcji promieniowania o ekstremalnej gęstości z materią, generacji cząsteczek naładowanych o dużej energii, generacji impulsów promieniowania rentgenowskiego, relatywistycznej kompresji impulsów optycznych w celu otrzymania intensywności rzędu 1025 W/cm2 oraz czasu trwania impulsów w zakresie attosekund i zeptosekund (10-21s).

Projekt LaserLab Europe jest siecią naukową grupującą laboratoria posiadające infrastrukturę laserową – lasery impulsowe o dużej mocy. Celem działania sieci jest koordynacja wysiłków badawczych i wydatkowanych środków, aby uzyskać efekt synergii. Adekwatna infrastruktura i tematyka badawcza podlegająca koordynacji jest: lasery attosekundowe i ich zastosowania, lasery wysokiej mocy i średniej energii, laserowa akceleracja cząstek, lasery w medycynie, femtosekundowe źródła promieniowania X itp.

Projekt HiPER dotyczy konstrukcji Europejskiej infrastruktury laserowej do celu fuzji termonuklearnej i badania ekstremalnych stanów materii. Głównym celem jest budowa demonstratora technologii zdolnego do produkcji energii z fuzji deuteru i trytu do helu. Jest to reakcja wysoce egzotermiczna. Projekt HiPER jest komplementarny do projektu ITER, który stosuje w tym celu nadprzewodzący, impulsowy tokamak plazmowy. System testowy do badania fuzji składa się z dwóch laserów: wielowiązkowego lasera nanosekundowego o energii rzędu 1 MJ oraz pikosekundowego lasera o energii 100 kJ i mocy 10 PW. Ten zestaw laserowy jest uzupełniony o badawczy laser femtosekundowy o mocy 1 TW.

Laserowo indukowana fuzja termojądrowa jest przedmiotem intensywnych badań globalnych. W lipcu 2012, po 15 latach prac nad budową eksperymentu NIF w laboratorium LLNF osiągnięto parametry krytyczne w systemie fuzyjnym z 192 wiązkami laserowymi. Parametry impulsu dostarczonego do tarczy DT były następujące: prawie 2 MJ energii światła UV oraz ponad 500 TW mocy szczytowej. Celem jest zapłon wodorowego paliwa fuzyjnego w warunkach laboratoryjnych oraz produkcja większej ilości energii niż dostarczona do tarczy. W czasie eksperymentu zapłonu, wodór w kapsule paliwowej musi być skompresowany do gęstości ponad 100 razy niż gęstość Pb. Centrum NIF jest obecnie w pełni operacyjne i przeprowadza eksperymenty związane z optymalizacją systemu zapłonowego. Alternatywnym eksperymentem w skali europejskiej jest LIFE (laser inertial fusion energy). LIFE prowadzi badania, między innymi, nad optyką odporną na wiązki o wielkim natężeniu światła.

Projekt E-XFEL dotyczy budowy Europejskiego lasera rentgenowskiego typu FEL. Prekursorem tej wielkiej maszyny jest laser FLASH. Laser E-XFEL jest konstruowany w laboratorium DESY i początek jego działania jest przewidziany na 2013. Najkrótsza długość fali w modzie podstawowym będzie rzędu 50 pm. Efektywna praca tej maszyny jest przewidziana aż do piątej harmonicznej długości fali. Laser jest zasilany nadprzewodzącym liniakiem elektronowym o długości 3 km z wnękami niobowymi rezonansowymi typu TESLA pracującymi na częstotliwości 1,3 GHz. Rezonatory pracują z polem EM o natężeniu 35 MV/m pochodzącym z klistronów wielkiej mocy rzędu 10 MW. Projekt EuroFEL jest siecią naukową grupującą infrastruktury FEL w Europie. Sieć jest zgrupowana wokół największego europejskiego projektu E-XFEL ale gromadzi ośrodki FEL w Szwecji, Niemczech, Francji, Anglii, Włoszech itp.

Główną ideą jest budowa sieci mniejszych maszyn FEL, które byłyby powiązane ze sobą pod względem komplementarnych celów badawczych i użytkowych. Sieć mniejszych maszyn FEL przygotowuje grupy użytkowników do nowatorskich eksperymentów, które będą możliwe na maszynie dużej. Spodziewane jest także, że sieć będzie multiplikować w sensie organizacyjnym i badawczym dostęp do maszyn FEL w Europie. Projekt PolFEL, jest z założenia częścią takiej właśnie sieci europejskiej, której celem jest budowa maszyn krajowych współpracujących w sposób komplementarny z maszyną E-XFEL. Przewidywana jest lokalizacja lasera POLFEL na terenie Narodowego Centrum Badań Jądrowych. Laser będzie pracował w modzie CW i impulsowym. Przestrajanie maszyny obejmuje zakres spektralny od THz do VUV.

EuLasNet jest Europejską rozwojowo-biznesową siecią laserową zorganizowaną wewnątrz inicjatywy Eureka. Sieć gromadzi przedsiębiorstwa laserowe w Europie. Jest zorientowana na aplikacje laserów w badaniach, przemyśle, metrologii, medycynie, ochronie środowiska naturalnego, oraz zabezpieczeniu wartości o dużym znaczeniu kulturowym i innych podobnych. EuLasNet grupuje krajowe sieci laserowe. W Polsce adekwatną organizacją jest sieć PolLasNet. Polskie środowisko laserowe, naukowo-biznesowe jest zorganizowane w Klubie Laserowym. KL gromadzi obecnie około 100 ekspertów laserowych z takich środowisk jak uczelnie, PAN, instytuty resortowe, przemysł oraz agencje rządowe. Większość z członków Klubu jest zaangażowanych we współpracę międzynarodową, w ten sposób dodając istotną synergię do wzajemnej współpracy. Współpraca na tak szerokiej platformie eksperckiej ze znajomością odnośników międzynarodowych pozwala na dokładną wymianę wiedzy eksperckiej w dziedzinie techniki i nauki laserowej w kraju.

Potencjał techniki laserowej 

Potencjał badawczy w dziedzinie techniki laserowej w kraju jest  znaczny, ale jego wykorzystanie jest ograniczone. W kraju istnieje około 20 większych zespołów badawczych aktywnych w obszarze techniki laserowej zlokalizowanych w centrach akademickich, instytutach resortowych oraz firmach, z których jedynie niektóre (nieliczne) posiadają oddziały badawcze. Niektóre z tych oddziałów prowadzą własne badania nad nowymi konstrukcjami i zastosowaniami laserów. Jedynie kilka z tych zespołów badawczych posiada większe możliwości naukowe oraz badawczy i techniczny potencjał. Większość z nich uczestniczy w europejskich programach infrastrukturalnych ramowych i posiada zaawansowaną współpracę międzynarodową. Prowadzone prace posiadają aktualny charakter, ale poza kilkoma wyjątkami, są to akcje o charakterze lokalnym i relatywnie niskim budżecie.

Najważniejsze obszary tematyczne w dziedzinie technologii laserowych, o relatywnie większym finansowaniu, z zaangażowaniem zespołów krajowych to: technologia laserów półprzewodnikowych, lasery na ciele stałym i lasery gazowe, komponenty laserowe i kilka innych. W zakresie zastosowań laserów są aktywne następujące obszary badawcze: optyczny zegar atomowy, teledetekcja laserowa, bezpieczeństwo, monitorowanie i ochrona środowiska naturalnego, medycyna i kosmetyka oraz obróbka materiałów.

Technologie laserowe w kraju podlegają systematycznemu rozwojowi. Aktywne zespoły wchodzą do ciągle nowych programów i sieci europejskich i uczestniczą w budowie Europejskiej Przestrzeni Badawczej w zakresie techniki laserowej. Uzyskują dostęp do dużej infrastruktury laserowej. Jak dotąd, próg budowy dużej infrastruktury laserowej, o wymiarach i ambicjach europejskich, w kraju nie został osiągnięty. Taka infrastruktura musi być połączona w sieć z infrastrukturą europejską. Wydaje się, że krajowe środowisko laserowe naukowo-przemysłowe mogłoby starać się stanowczo i efektywnie o jej budowę w kraju. Co najmniej kilka krajowych centrów naukowo-technicznych wydaje się być gotowych do podjęcia koordynacji inicjatyw i podołać znacznemu wysiłkowi budowy i utrzymania takiej infrastruktury. Budowa infrastruktury laserowej w Polsce jest ściśle związana z aktywnym uczestnictwem coraz większych krajowych zespołów w takich projektach, jak: ELI, HiPER, FLASH, E-XFEL, ALBA i podobnych. Jednym z najbardziej obiecujących projektów jest możliwość budowy lasera POLFEL. Nowoczesny part technologiczny może być zbudowany wokół takiej wielkiej maszyny prowadząc do rozwoju wielu gałęzi innowacyjnego przemysłu.

Duża nowoczesna infrastruktura badawcza, w tym laserowa, spełnia w kraju kilka ważnych funkcji o charakterze lokalnym i globalnym. Ograniczając się jedynie do celów krajowych można wymienić: wzmocnienie krajowych centrów laserowych, kształcenie ekspertów o unikalnych specjalnościach i klasie europejskiej, kształcenie młodzieży, możliwość budowy parku technologicznego wokół dużej infrastruktury badawczej o unikalnym charakterze oraz wiele innych. Obowiązkiem środowiska naukowo-przemysłowego technologii laserowych jest czynienie starań o rozwój tej dziedziny w kraju w jak najszerszym zakresie, włączając w to budowę dużej infrastruktury badawczej. Celem takich okresowych zebrań środowiska jak Sympozjum Techniki Laserowej jest podsumowywanie dokonań w tej dziedzinie i przypominanie o tych obowiązkach.

Literatura:

[1] Sympozjum Techniki Laserowej

[2] Gajda J., Romaniuk R.S.: Rozwój techniki laserowej w kraju. Elektronika, vol. 51, nr 4, 2010, str. 131–134.

[3] Romaniuk R.S.: POLFEL – laser na swobodnych elektronach w Polsce. Elektronika, vol 51, nr 4, 2010, str 83–87.

[4] Romaniuk R.S.: EuCARD i CARE – rozwój techniki akceleratorowej w Polsce. Elektronika, vol.49, nr 10, 2008, str 12–17.

[5] Romaniuk R.: Manufacturing and characterization of ring-index optical fibers. Optica Applicata 31 (2), pp. 425–444 (2001).

[6] Romaniuk R. et al.: Multicore single-mode soft-glass optical fibers. Optica Applicata 29 (1), pp. 15–49 (1999).

[7] Dorosz J., Romaniuk R.: Fiber Optics Department of Biaglass Co. Twenty years of research activities. Optica Applicata 28 (4), pp. 267– 291 (1998).

[8] Dorosz J., Romaniuk R.: Multicrucible technology of tailored optical fibres. Optica Applicata 28 (4), pp. 293–322 (1998).

[9] Romaniuk R.: Tensile strength of tailored optical fibres. Opto-electronics Review 8 (2), pp. 101–116 (2000).

[10] Romaniuk R.: Capillary optical fiber – design, fabrication, characterization and application, Bulletin of the Polish Academy of Sciences: Technical Sciences 56 (2), pp. 87–102 (2008).

[11] Romaniuk R. et al., Optical network and fpga/dsp based control system for free electon laser. Bulletin of the Polish Academy of Sciences: Technical Sciences 53 (2), pp. 123–138 (2005).

[12] Dybko A. et al.: Assessment of water quality based on multiparmeter fiber optic probe, Sensors and Actuators, B: Chemical,.51 (1–3), pp. 208–213 (1998).

[13] Dybko A. et al.: Efficient reagent immobilization procedure for ionsensitive optomembranes, Sensors and Actuators, B: Chemical, 39 (1–3), pp. 207–211 (1997).

[14] Dybko A. et al.: Applications of optical fibres in oxidation-reduction titrations, Sensors and Actuators, B: Chemical, 29 (1–3), pp. 374–377 (1995).

[15] Dybko A. et al.: Polymer track membranes as a trap support for reagent in fiber optic sensors, Journal of Applied Polymer Sciences, 59 (4), pp. 719–723 (1996).

[16] Mukherjee B. et al.: Application of low-cost Gallium Arsenide lightemitting-diodes as kerma dosemeter and fluence monitor for highenergy neutrons, Radiation Protection Dosimetry, 126 (1– 4), pp. 256–260 (2007).

[17] Romaniuk R. et al.: Metrological aspects of accelerator technology and high energy physics experiments, Measurement Science and Technology, 18 (8), art.no.E01 (2008).

[18] Fąfara P. et al.: FPGA-based implementation of a cavity field controller for FLASH and X-FEL, Measurement Science and Technology, 18 (8), pp. 2365–2371 (2008).

[19] Burd A. et al.: Pi of the sky – all-sky, real-time search for fast optical transients, New Astronomy, 10 (5), pp. 409–416 (2005).

[20] Burd A. et al.: Pi of the sky’ – automated search for fast optical transients over the whole sky, Astronomische Nachrichten, 325 (6–8), p. 674 (2004).

[21] Ackerman W. et al.: Operation of a free-electron laser from the extreme ultraviolet to the water window, Nature Photonics, 1 (6), pp. 336–342 (2007)

[22] Czarski T. et al.: Superconducting cavity driving with fpga controller, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 568 (2), pp. 854–862 (2006).