Unikátní laserový systém L3-HAPLS, který pro ELI Beamlines vyvinula americká národní laboratoř Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), byl slavnostně spuštěn
2. července 2018. Na základě evaluace mezinárodní vědeckou kontrolní skupinou byl systém L3-HAPLS shledán jako plně funkční a připravený k integraci s experimentálními systémy a k prvním experimentům.
Tento laserový systém představuje novou generaci diodově čerpaných, vysokoenergetických výkonových laserových systémů. Jako jediný na světě je postaven výlučně na vysokovýkonových polovodičových laserových diodách a díky novým technologiím využívajícím diodového světla
10 pulsů za vteřinu několikanásobně překonává systémy instalované jinde na světě. Laser L3 bude sloužit v mnoha oblastech základního i aplikovaného výzkumu. Mezi jeho nejvýznamnější aplikace patří kompaktní laserem buzené urychlování částic pro nové lékařské metody nebo generace krátkopulsního rentgenového záření pro mikroskopii s vysokým prostorovým a časovým rozlišením pro materiálový a medicínský výzkum.
Slavnostní inaugurace proběhla za účasti náměstka ministra školství, mládeže a tělovýchovy Pavla Dolečka, amerického velvyslance Stephena B. Kinga, předsedkyně Akademie věd ČR Evy Zažímalové a zástupců americké národní laboratoře Lawrence Livermore National Laboratory, Fyzikálního ústavu AV ČR a mezinárodního konsorcia ELI Delivery Consortium. Součástí programu bylo nejen vlastní spuštění a první výstřel laseru, ale také prohlídka výzkumného centra a krátká exkurze do světa experimentů prostřednictvím virtuální reality.
„Jsem rád, že mohu být spolu s vzácnými hosty a přáteli ze Spojených států přítomen spuštění laserového systému L3, který bez pochyb patří k nejvýznamnějším projektům česko-americké výzkumné spolupráce. Oblast výzkumu a vývoje považuji v naší bilaterální spolupráci za klíčovou a tato významná událost tento potenciál jen potvrzuje. Jsem též velmi rád, že se scházíme na ELI Beamlines, která i díky instalaci laserového systému L3 dále naplňuje svoji úlohu první výzkumné infrastruktury světového významu ve střední a východní Evropě. Věřím, že toto unikátní zařízení přinese v brzké době excelentní vědecké výsledky a přivede do České republiky další špičkové vědce z celého světa,“ říká náměstek ministra pro vědu Doleček.
ÚSPĚCHY MEZINÁRODNÍ SPOLUPRÁCE
Systém L3-HAPLS byl navržen, vyvinut a postaven institucí NIF and Photon Science (NIF & PS) národní americké laboratoře Lawrence Livermore National Laboratory a dodán do centra ELI Beamlines v červnu 2017.
Od tohoto okamžiku tým vědeckých a technických pracovníků z LLNL a ELI Beamlines intenzivně pracoval na jeho instalaci a koncem loňského roku byly zprovozněny čtyři bloky laserových diodových jednotek, poskytujících světelné pulsy o výkonu 800 kW. Poté byl na jaře 2018 uveden do provozu hlavní laserový zesilovač systému, čímž bylo zahájeno testování kompletního laserového řetězce. Tím bylo dosaženo prvního milníku: energie pulsu 16 joulů a délka trvání pulsu 27 femtosekund při opakovací frekvenci 3,3 Hz (3,3krát za sekundu), což odpovídá špičkovému výkonu přibližně 0,5 petawattu po kompresi délky pulsu. Tento milník byl stanoven tak, aby bylo možné naučit se systém provozovat a provádět experimenty při pomalejší opakovací frekvenci.
Laserový systém L3 se může pyšnit hned několika NEJ – nejenže je petawattovým laserovým systémem s nejvyšším průměrným výkonem na světě, ale navíc pro něj byly vyvinuty nejsilnější pulsní laserové diody na světě a má největší optomechanicko-vakuovou strukturu, jaká kdy byla v České republice navržena a vyrobena.
LLNL při vývoji systému L3-HAPLS uplatnila své mnohaleté zkušenosti s průkopnickým výzkumem a vývojem v oblasti laserů. Systém L3 se sestává z hlavního petawattového svazku, který je schopen přenášet energii 45 J a je napájen diodami čerpanými lasery, schopnými dodat až 200 J energie na puls.
„Laboratoř Lawrence Livermore je hrdá na to, že mohla přispět k posunutí vědeckých a technologických hranic do oblastí, které byly dosud nedosažitelné,“ říká Bill Goldstein, ředitel LLNL. „Před dvaceti lety byla LLNL se systémem NOVA Petawatt průkopníkem prvních petawattových laserů. HAPLS nyní představuje novou generaci petawattových laserů s dosud nevídanými parametry.“
Tým výzkumníků z LLNL a ELI Beamlines spolupracoval i s průmyslovými firmami. Tato spolupráce byla více než úspěšná a přinesla vynikající výsledky, jakými jsou například již zmíněné nejjasnější diody na světě; čerpací laser generující až 200 J při opakovací frekvenci 10 Hz; plynem chlazený titan-safírový zesilovač ultrakrátkých pulsů; front-endový zesilovač ultrakrátkých pulsů s vysokým kontrastem a velmi energický laserový zdroj pro čerpání ultrakrátkých pulsů.
ŠIROKÁ ŠKÁLA POUŽITÍ
Výkonové lasery otevřely během uplynulých několika desetiletí nové oblasti vědeckého bádání s výrazným společensko- aplikačním dopadem. Při fokusaci petawattových laserových pulsů na terč se vytváří obrovská intenzita světelného pole a generují se sekundární zdroje, zejména elektromagnetické záření (např. rentgenové paprsky s vysokým jasem) a urychlené nabité částice (elektrony, protony nebo ionty). Tyto sekundární zdroje vědcům umožňují bezkonkurenční nové možnosti pro realizaci celé řady oblastí výzkumu.
L3-HAPLS bude mít širokou škálu použití pro základní i aplikovaný výzkum. Nasměrováním pulsů petawattového špičkového výkonu při vysoké intenzitě na cíl bude systém generovat sekundární zdroje, jako je elektromagnetické záření nebo urychlení nabitých částic, což umožní bezkonkurenční přístup k různým oblastem výzkumu, včetně časově rozlišené protonové a rentgenové radiografie, laboratorní astrofyziky a dalších základních vědeckých a lékařských aplikací pro léčbu rakoviny. Kromě toho se bude využívat i v rámci průmyslových aplikací, jakými např. jsou nedestruktivní výzkum materiálů a laserová fúze. Dále přispěje i k vývoji aplikací na poli národní bezpečnosti a průmyslových procesů, jako jsou nedestruktivní testování materiálů a laserová fúze.
„Díky tomuto laserovému systému půjde pořizovat snímky s miliónkrát větším rozlišením, než které známe z dnešních nemocnic, nebo budeme moci zachytit a přímo sledovat postup chemických reakcí v buňkách,“ přibližuje konkrétní aplikace Michael Prouza, ředitel Fyzikálního ústavu AV ČR.
Až dosud měly všechny experimenty charakter důkazu proveditelnosti a byly prováděny pomocí laserů poskytujících pulsy s nízkou opakovací frekvencí (tzv. single-shot lasers). Tyto experimenty nám umožnily zběžně nahlédnout do sféry transformačních aplikací, nicméně pro komerční využití jsou nutné lasery s vysokou opakovací frekvencí.
„Vysokorepetiční laserový systém HAPLS znamená pro laserovou komunitu rozhodující předěl,“ říká Constantin Haefner, programový ředitel pro pokročilé fotonové technologie LLNL. „HAPLS je prvním petawattovým laserem, který poskytuje skutečně využitelné vysokorepetiční pulsy pro aplikační výzkum.“
Díky mnohaletým zkušenostem a aplikaci poznatků nejmodernějšího laserového výzkumu dokázala LLNL realizovat klíčová vylepšení, která odlišují HAPLS od ostatních petawattových laserů. Realizované inovace, umožňující laserovému systému HAPLS generovat petawattový výkon při nebývalé kadenci pulsů, zahrnují mimo jiné nejvýkonnější moduly impulsních laserových diod na světě, inovativní impulsní napájecí systém, čerpací laser schopný poskytovat pulsy s energií až 200 J při repetici 10 Hz, heliem chlazený krátkopulsní titan-safírový zesilovač, sofistikovaný řídicí systém s vysokým stupněm automatizace, systém rychlého startu laseru, systém monitorování výkonu a strojové bezpečnosti, čelo laserového řetězce s dvojstupňovou kaskádou zesílení frekvenčně rozmítnutého signálu pro zajištění vysokého kontrastu pulsů a čerpací laser poskytující bezúdržbově miliardu výstřelů pro buzení krátkopulsních předzesilovačů. Kormě výše uvedeného je HAPLS i nejkompaktnějším PW laserovým systémem, který kdy byl postaven.
Fyzikální ústav Akademie věd vyzval k spolupráci na vývoji tohoto jedinečného laseru americkou laboratoř Livermore právě kvůli její odbornosti a mnohaletým zkušenostem. „Bylo to docela jasné,“ říká Roman Hvězda, projektový manažer centra ELI Beamlines. „Vzhledem k náročným požadavkům nemohl nikdo jiný vyvinout daný systém v tak rekordně krátkém čase a za jasně daného rozpočtu. Je to velká výhoda, že jsme mohli spolupracovat s tak kvalifikovanou a zavedenou laboratoří, jakou Livermore bezesporu je. Vytvořili jsme tím pevné základy pro budoucí možnou spolupráci.“
„Jedním ze skutečných úspěchů našeho úsilí bylo, že klient byl velmi brzy vtažen do zprovozňování a testování tohoto laseru,“ říká Haefner. „Získal tak odborné znalosti a praktické zkušenosti přímo na místě, což pomůže zajistit hladký průběh spuštění a provozu, až bude laser instalován na ELI Beamlines. Bereme to jako příslib dlouhodobého a trvalého partnerství.“
Bedřich Rus, vedoucí programu laserových technologií na ELI Beamlines, souhlasí: „Nikdy jsme nebyli v klasickém vztahu klient-dodavatel. Přibližně deset našich vědců a inženýrů se v uplynulém období v LLNL přímo podílelo na vlastním vývoji. Tato integrace je výraznou přidanou hodnotou nejen pro budoucí provoz systému, ale poskytla též našim odborníkům jedinečnou profesní zkušenost, kterou by jinde nezískali.“