Egyszer volt, hol nem volt a lézer

Nemcsak mi készültünk Einstein halálának évfordulójára, hanem a TEWATI csoport is, magyarázza Osvay Károly, Magyarország legnagyobb átlagteljesítményű impulzusait kibocsátó lézerrendszerének tervezője, miért is nem láthatjuk működés közben az egész rendszert. Kedd este ugyanis a Dóm tornyából nézi valaki a röszkei templomtornyot, amint a fénystaféta ottani résztvevõje reflektorral jelez, õk pedig egy zöld pumpálólézer fényét kilövik az ablakon a professzori teraszra, onnan a Dóm tornyának eklektikus fantazi erkélye fölött 20 méterre található talpalatnyi kilátóhelyre , ahol pedig Kurdi Gábor egy tükör segítségével továbbítja Kiskundorozsma, Kistelek, Kecskemét, illetõleg Öttömömösön át Baja, Pécs felé.

A világméretű fénystaféta egyébként Princetonból, Albert Einstein utolsó lakhelyéről indult április 18-án, hogy a Csendes Óceánon átkelve Kelet Ázsiában több ágra szakadjon, Szerbia felől átlépje a magyar határt, majd Németországban egyesülve visszatérjen az Egyesült Államokba.

Mndent tudni akarok a lézerről!

De azért megpróbáltuk megérteni, hogyan működik a rendszer. Az eredeti tervek szerint 2000-re készült volna el. Akkor öt ilyen teljesítményű lézer volt Európában, most olyan másfél tucat.

Minden lézer a benne működő aktív anyagról kapja a nevét. Ebben titánnal szennyezett mesterséges zafírkristály van. A rendszerben egy gyári lézer segítségével hozzák létre optikai úton a következő fokozatokat. A pumpalézernek nevezett gyári lézer folytonos zöld fényt bocsát ki, amely egy négy milliméter hosszú, egy milliméter hasznos átmérőjű titán-zafír kristályra van fókuszálva. A kristály egy tükrökből és prizmákból álló rezonátor része. A folyamatos energiabetáplálás folytonos lézert hozna létre, de megfelelő körülményeket között ún. fényszaggatás következik be.

A kristályban olyan nagy lesz a fókuszált lézeráram teljesítménye, hogy az anyag törésmutatója megváltozik. A hőmérséklet és az elektromágnes erő hatására annyira megnő az energia, hogy a kristályban kialakul egy úgynevezett termikus lencse, ami szétszórja a nyalábot. Ezért a rezonátor kioltódik, megszűnik benne a lézeráram, eltűnik a lencse, és visszaáll az eredeti helyzet. És mindez másodpercenként 72 milliószor történik meg.

Az oszcillátorból kilépő impulzus energiája még nagyon kicsi, olyan 3 nanojoule, ami egy köbmilliméter víz ezredrészének hőmérsékletét tudná megemelni egy fokkal. De mivel nagyon sok impulzusunk van, a kijövő teljesítmény nem annyira kevés.

Az az effektus, ami az oszcillátorban megszaggatja a fényt, károsodást okozna a rendszer későbbi erősítőiben, ahol nagyon nagy energiájú impulzusok jönnek létre. Ezért különböző kütyükön, optikai rácsokon, tükrökön keresztül az eredeti impulzust időben megnyújtják olyan 10-20 ezerszeresére. Az oszcillátorból kijövő 15 femtoszekundumos impulzusok hossza megnyúlik olyan 250 pikoszekundumra.

Elképzeléséhez van egy jó háztartási mértékegység: az alufólia, amelynek vastagsága olyan 20 mikrométer. Az oszcillátorból kijövő impulzus térben az alufólia vastagságának körülbelül a negyede, itt pedig megnyúlik 12 centiméterre.

A megnyújtott impulzust tovább erősítik. Ezt úgy kell elgondolni, hogy egy második gyári lézer plusz energiát ad az impulzusokhoz. A folyamat, szaknyelven optikai parametrikus erősítés, olyan jellegű, mint a gyerekhintáztatás. A pumpáló lézer fénye az apa, aki mindig meglöki a hintát, az erősítendő impulzus pedig a gyerek a hintában. Csak éppen a hintáztatás itt az erősítő kristályrácsában zajlik le elektronok közvetítésével.

A végfokozatból kijövő impulzus energiája 60-70 millijoule, ami elég például fél kupica víz egy Celsius fokkal való felmelegítéséhez. De az impulzus itt még mindig 12 centiméter hosszú. A rendszer végén, a kompresszorban ezért összenyomják az alufólia negyedére.

Egy impulzus azért rövid, mert nagyon sok spektrális komponense van. Ha nagyon sok színt egymásra nyomunk, akkor időben nagyon rövid az impulzus, ha szétszedjük, akkor nagyon hosszú. Az eljárás azon alapul, hogy az egyes színeket különböző, színtől függő úton terelik.

Az impulzus összenyomását hagyományosan diffrakciós rácsokkal lehet elérni. Az optikai rácsba beeső fény a fény színétől függő irányokba verődik vissza.

De van egy forradalmi magyar találmány, az impulzusösszenyomó vagy csörpölt tükör, mely Szipőcs Róbert és Krausz Ferenc nevéhez fűződik. Tesztelésében a szegedi tanszék is részt vett. Ez egy olyan különleges tükörbevonat, mely a különböző színű komponenseket különböző időzítéssel veri vissza.

Anyagmegmunkálás elektromágneses térrel

A publikációs tevékenységük eddig elsősorban a lézerrendszer építéséről szólt. Volt néhány új megoldásunk, köztük a hintáztatós erősítés. Részben ennek köszönhető, hogy azokat a paramétereket, amelyeket a rendszer tud, máshol nem két, hanem három pumpalézerrel érik el.

De már vannak kutatási eredményeik is. A világon először sikerült kimutatniuk, hogy a nagyon alacsony nyomású levegőnek és gázoknak is jelentős diszperziójuk, szórásuk van. Ennek technológiai jelentősége is van: a szegedinél sokkal nagyobb lézereknél, ahol a fény sok tíz méteres utat tesz meg úgynevezett vákuumrendszerekben, a fényimpulzus időben nem várt módon kiszélesedik, és ez hatással van az impulzus terjedésére.

Kísérleteznek femtoszekundumos impulzusokkal történő anyagmegmunkálással is. Ennek az az érdekessége, hogy amikor folytonos lézerrel vagy hosszú impulzussal vágnak, mindig sorjás lesz a felület. Ha viszont nagyon rövid impulzussal, akkor teljesen sima a vágási felület, nincsen sorja. Persze nem az ipari, technológiai rész érdekli őket, hanem azt próbálják kideríteni, minek köszönhető ez a jelenség. A választ még nem tudni.

A folytonos és a hosszú lézerrel történő vágás alapja, hogy a lézer gyakorlatilag felforralja az anyagot. Egy-egy femtoszekundumos impulzusban azonban önmagában nincs akkora energia. Az egyik elképzelés szerint a dolog olyan, mintha a lézerimpulzus kiütné onnan az anyagot. A rövid impulzusok egyik fontos tulajdonsága, hogy az általuk létrehozott elektromágneses tér nagyon nagy. Könnyen elképzelhető, hogy a becsapódó lézerimpulzus hatalmas elektromágneses tere egyszerűen kiröpíti az elektronokat, azok meg maguk után húzzák az atommagok egy részét is. Az elektromágneses tér egyszerűen szétroncsolja az anyagot.

Részecskegyorsító az asztalon

A tanszék egy konzorcium tagjaként részt vesz egy európai uniós pályázaton, amelynek mostanában lesz eredményhirdetése. A konzorcium részecskegyorsítót próbál majd építeni lézerrendszerekkel. Európában a szegedinél van hat nagyobb teljesítményű lézer, amelyek igazán képesek protonnyalábok előállítására, de egy csomó előkísérleti körülményt tudnak rajta szimulálni, mert flexibilisebb, sokkal több paramétert tudnak rajta változtatni.

Nagyobb lézerekkel már elkezdték a protongyorsítást. Az eljárás azon alapul, hogy ha egy vékony anyagot az egyik oldalról meglőnek lézerimpulzussal, a másik oldalon távozik egy elektronfelhő, és bizonyos körülmények között maga után húz egy protonfelhőt. Az elektronok rövid idő alatt szétdiffundálnak az kis nyomású vagy vákuumtérben, de a nehéz részecskenyaláb egy irányban halad tovább, és elméletileg jól lehet vele aztán dolgozni. Nagyon nagy, 100, 500 terawattos lézerrendszerrel végeztek már olyan kísérletet, amiben lézerindukált módon gyorsítottak ionokat, amelyek azután magreakciókat idéztek elő. Egy lézerimpulzussal meglőttek egy céltárgyat, arról nagyon sok ion gyorsítódott, majd becsapódtak egy másik céltárgyba. A másodlagos céltárgyon a becsapódás következtében maghasadás és egyéb nukleáris folyamatok történtek. Az ide vonatkozó kísérletek azonban csak néhány éve kezdődtek, de jelenleg a világ és Európa nagy lézerlaboratóriumai is ezen dolgoznak.

A szegedi rendszer azonban nem elég erős ehhez, az 1 terawattos teljesítményt fel kellene vinni legalább 50-re, hogy ilyesmin egyáltalán elkezdjenek gondolkodni. A következő egy-két évben azonban nagyszabású fejlesztés helyett inkább használni szeretnék.

Nemlineáris optika

Mivel a rövid impulzusoknak nagyon nagy az elektromágneses terük, minden anyagban, legyen szilárd, folyékony vagy gáz, a kölcsönhatás teljesen új dolgokat hoz. Ahol az impulzus belép az anyagba, az elektronokat annyira megrángatja, és olyan belső elektromágneses teret hoz létre, ami a lézerimpulzus terjedését és az anyag tulajdonságait is befolyásolja.

Ha hosszú lézerimpulzussal fókuszálnak például egy átlátszó anyagba, akkor az impulzus keresztül halad a fókuszponton, és nem történik semmi különös. Ha viszont egy rövid lézerimpulzust fókuszálnak belé, akkor a fókuszpont közelében, ahol nagyon nagy lesz az elektromágneses tér, az impulzus egyszerűen szétrobbantja az ott található atomokat, összeesik a kristályrács, és gyakorlatilag egy buborék keletkezik az anyagban. (Ezt használják ki pl. a lézeres szemműtétek egy részénél, illetve az anyag belsejében történő lézergravírozásnál.)

De akkor is érdekes folyamat játszódik le, ha a nyaláb nincs fókuszálva. A törésmutató normál körülmények között állandó, nem függ attól, milyen erősségű fény esik rá. A rövid lézerimpulzusok nagy elektromágneses terének hatására azonban maga a törésmutató is megváltozik. Ha pedig megváltozik, az áthaladó fény elkezd fókuszálódni vagy divergálni, tehát az iránya megváltozik. (Ez történik az oszcillátor titán-zafír kristályában is, egy pontban nagyon megváltozik a törésmutató, ezért másképp kezd viselkedni a lézernyaláb, és létrejön egy úgynevezett Kerr-lencse.)