Česká republika v posledních letech s pomocí evropských dotací výrazně investovala do zázemí pro výzkum a vývoj laserových technologií a i díky tomu bylo na tomto poli v poslední době dosaženo několika významných úspěchů ve výzkumu a aplikaci laserových technologií.
Mezi současné nejvýznamnější instituce, které jsou známé svými inovacemi a pokroky v laserových technologiích, patří především instituce sídlící v Dolních Břežanech poblíž Prahy, kam se soustředily v rámci budování takzvaného klastru/regionu Star a se kterými spolupracuje Akademie věd ČR i další oborově orientované vědecké instituce.
Primární výzkum v ELI Beamlines
ELI (Extreme Light Infrastructure) Beamlines je jedním z předních center pro výzkum v oblasti použití velmi intenzivních laserů. Je součástí širší evropské infrastruktury ELI, která zahrnuje další dvě zařízení v Rumunsku a Maďarsku, a společně tvoří první infrastrukturu tohoto druhu na světě.
ELI Beamlines (také Laserové centrum Dolní Břežany) je vědecké výzkumné centrum zaměřené na laserovou techniku, které se nachází v Dolních Břežanech v okrese Praha-západ. Bylo slavnostně otevřeno v říjnu 2015, do plného provozu bylo uvedeno v roce 2018. Jde o největší výzkumný projekt v dějinách ČR © Pavlína Jáchimová / AV ČR (CC BY-SA 3.0 cz)
Provádí pokročilé výzkumy zahrnující vývoj laserových systémů schopných generovat extrémně vysoké výkony. Tyto lasery mají aplikace v medicíně, materiálovém výzkumu a jaderné fyzice. Relativně nedávno zde byl uveden do provozu jeden z nejsilnějších laserových systémů na světě, který je schopen generovat ultrakrátké pulzy s energií přesahující 10 PW. Tento vývoj otevírá nové možnosti pro výzkum v oblastech, jako jsou fyzika plazmatu, jaderná fyzika a astronomie.
ELI Beamlines ovšem hostí více vysoce výkonných laserových systémů, které jsou schopné generovat ultrakrátké pulzy světla s extrémním výkonem. Za zmínku stojí L3-HAPLS (High-Repetition-Rate Advanced Petawatt Laser System — viz též TT 2021/4), který byl vyvinut ve spolupráci s americkým Národním ústavem pro urychlovače SLAC. Tento systém dosahuje výkonu až 1 PW v režimu opakování, což jej činí jedním z nejvýkonnějších laserů svého druhu (tedy schopných opakování v krátkém sledu) na světě.
Výzkum prováděný v ELI Beamlines se zaměřuje na širokou škálu vědeckých disciplín, včetně fyziky plazmatu, materiálové vědy, chemie, biologie a medicíny. Lasery jsou využívány pro studium extrémních stavů hmoty, generování sekundárních zdrojů záření (např. rentgenové a gama záření) a pro vývoj nových léčebných metod v medicíně.
Jak už bylo zmíněno, projekt ELI Beamlines je výsledkem mezinárodní spolupráce a financování, které zahrnuje řadu evropských zemí a dalších mezinárodních partnerů.
Toto zařízení slouží výzkumným skupinám z celého světa a je přístupné pro širokou vědeckou komunitu.
Experimentální zařízení ELIMAIA © Vichmi (CC BY-SA 4.0)
Kromě výzkumu ELI Beamlines také přispívá k vzdělání a rozvoji nové generace vědců a techniků specializovaných na laserové technologie a jejich aplikace. Centrum organizuje workshopy, školení a konference, které podporují výměnu znalostí a zkušeností v mezinárodním měřítku.
Projekt je příkladem toho, jak vyspělá laserová technologie může přinášet průlomy ve vědě a technice, a zároveň podporovat mezinárodní spolupráci a vzdělávání v pokročilých technologiích.
Laser produkuje ultrakrátké pulzy trvající pouze několik femtosekund (miliardtina sekundy). Využívá ovšem technologie umožňující vysokou frekvenci opakování pulzů při extrémně vysoké energii, což bylo dříve technicky velmi náročné dosáhnout. Díky těmto vlastnostem může L3-HAPLS provádět experimenty, které nebyly dosud možné, jako jsou interakce vysokoenergetického laserového záření s hmotou za účelem studia plazmatu a vysokoenergetických fyzikálních procesů. Laser se tedy používá ve výzkumu základních vědeckých otázek týkajících se stavby hmoty, ale má potenciál i pro praktické aplikace.
Mezi možné aplikace patří vývoj nových lékařských terapií založených na přesném a cíleném zničení rakovinných buněk, výroba nových materiálů s unikátními vlastnostmi nebo vývoj nových zdrojů energie. Laser L3-HAPLS umožňuje vědcům a technikům průzkum neznámých oblastí fyziky a chemie díky schopnosti generovat extrémně silné a krátké pulzy světla, což otevírá nové možnosti pro pochopení a manipulaci s hmotou na mikroskopické úrovni.
Aplikovaný výzkum v HiLASE Laserový systém L3 HAPLS © Vichmi (CC BY-SA 4.0)
Také vědecké výzkumné středisko HiLASE (High average power pulsed LASErs) sídlí v Dolních Břežanech. Jde ovšem o centrum specializované více aplikačně, konkrétně zaměřené na vývoj a aplikace laserů s vysokými výkony a krátkými pulzy. Tyto lasery najdou uplatnění v průmyslu pro přesné zpracování materiálů, výzkum odolnosti materiálů a testování komponent v extrémních podmínkách. Tento institut úspěšně vyvinul laser s vysokým výkonem určený pro průmyslové aplikace, který umožňuje extrémně přesné řezání a zpracování materiálů, což má významné uplatnění například ve výrobě komponent pro automobilový průmysl nebo ve výrobě mikroelektroniky (viz TT 2021/6).
Centrum spadající pod Fyzikální ústav Akademie věd České republiky bylo založeno na přelomu srpna a září 2011 a od té doby si vybudovalo pozici mezinárodně uznávaného vědeckého zařízení. Specializuje na vývoj nové generace vysokovýkonných diodově pumpovaných pevnolátkových laserů, které nacházejí uplatnění v široké škále průmyslových aplikací. Také toto centrum dosáhlo od svého založení několika světových rekordů, což potvrzuje jeho přední postavení v oblasti laserové technologie. Například, v roce 2021 byl na laserovém systému BIVOJ dosažen světový rekord, když byla výstupní energie převedena na 515nm vlnové délky s energií pulsu přesahující 68 J při opakovací frekvenci 10 Hz. Tento výkon byl nejvyšší průměrný výkon v kategorii laserů s vysokou energií a vysokým průměrným výkonem.
roce 2020 zde byl dosažen významný vědecký průlom při krystalizaci amorfních vrstev TNT (TiO2 nanotube) do čisté fáze anatasu pomocí laseru HiLASE Perla-C, což je důkazem unikátních parametrů tohoto laserového systému.
HiLASE Centrum rovněž uspělo v komerční sféře. V roce 2020 dodalo první na míru vyrobenou komerční jednotku laseru PERLA 100, která byla optimalizována pro specifické potřeby klienta. Tento úspěch ukazuje schopnost HiLASE Centra přizpůsobit vysoký výkon a preciznost svých laserových systémů potřebám průmyslu.
Zapojení technických univerzit a průmyslu
Výzkum a vývoj v oblasti optických technologií probíhá také na tuzemských technických univerzitách. Kupříkladu ČVUT v Praze či Masarykova univerzita v Brně hrají klíčovou roli ve výzkumu aplikací laserů v komunikacích, biomedicínském inženýrství a nových materiálech. Na ČVUT byly vyvinuty nové metody pro zlepšení vlastností laserových diod, což má přímý dopad na zvýšení efektivity a snížení nákladů na laserové systémy používané v průmyslu a medicíně. Masarykova univerzita realizuje výzkumy zaměřené na využití laserů v mikrochirurgických zákrocích, s cílem zlepšit přesnost a bezpečnost lékařských operací, což má velký potenciál pro zlepšení pacientské péče.
Výzkum a vývoj především v aplikační rovině se pak neobejde bez spolupráce s průmyslovými partnery a vychází z něj i zrod mnoha technologických firem a startupů. České technologické společnosti, jako je například Crytur, spolupracují s výzkumnými institucemi na vývoji a optimalizaci laserových systémů pro vysokopřesnostní aplikace, včetně využití v biomedicíně a mikroskopii.
ČR je samozřejmě aktivní také v mezinárodních výzkumných projektech, které se zaměřují na další rozvoj a aplikace laserových technologií. Tato spolupráce umožňuje sdílení znalostí a technologií s globálními partnery a nezřídka do ČR přiláká i vědecké kapacity ze zahraničí. Tyto aktivity odrážejí silnou pozici České republiky v oblasti výzkumu a vývoje laserových technologií a jejich aplikací v různých průmyslových a vědeckých oblastech.
Průmyslové aplikace napříč obory
Dnes už budeme jen těžko hledat obor, ve kterém se v nějaké své různorodé formě neuplatňuje laserový paprsek. Proto i v tuzemsku vyvíjené technologie nacházejí využití napříč průmyslovými spektry.
Tvrzení povrchů materiálů pomocí laseru (laser peening)
Kupříkladu technologie laser peening vyvinutá v HiLASE umožňuje pomocí laseru lokálně vytvrzovat konstrukce lehkých materiálů, jako jsou hliník, titan a jejich slitiny, což může prodloužit jejich životnost až sedminásobně. Tato metoda je využívána především v leteckém a potenciálně také v automobilovém průmyslu, kde přispívá ke zvýšení odolnosti a snížení hmotnosti dílů.
Mikroobrábění laserem
Rapidní laserové mikroobrábění je další využití technologie z HiLASE. Umožňuje vysoce přesné zpracování materiálů s vysokou opakovatelností a rychlostí. Tato technologie nachází uplatnění v elektronickém průmyslu a při výrobě precizních mechanických součástek.
Měření prahové hodnoty poškození materiálů laserem
HiLASE také nabízí metody pro měření prahové hodnoty poškození materiálů laserem, což je klíčové pro výrobu a údržbu optických komponent ve výrobním průmyslu. České firmy jako Meopta a Crytur využívají tuto technologii pro testování kontaktních čoček a teleskopů.
Radiologie a lékařské aplikace
ELI Beamlines umožňuje generování sekundárních zdrojů, jako jsou x-ray a urychlené nabité částice, které mají aplikace v protonové a x-ray radiologii. Tyto technologie mají potenciál pro využití v léčbě rakoviny a jiných zdravotních stavů.
Výzkum v oblasti laserové fúze a národní bezpečnosti
Vývoj petawattových laserových systémů, jako je HAPLS vyvinutý ve spolupráci s Lawrence Livermore National Laboratory, otevírá nové možnosti pro výzkum v oblastech, jako jsou laserová fúze a aplikace v oblasti národní bezpečnosti. Tato technologie představuje pokročilý krok v laserové technologii s dosud nevídanými parametry.
Z uvedených příkladů je zřejmé, že ČR hraje klíčovou roli v rozvoji a aplikaci laserových technologií v průmyslové praxi. Díky projektům jako ELI a HiLASE se české laserové technologie stávají nejen součástí základního výzkumu, ale také nalézají využití v řadě průmyslových odvětví po celém světě.