About laser

Páteří Badatelského centra PALS je obří jódový laserový systém, jeden ze tří největších laserů v Evropě. Ve stávající konfiguraci a na základní vlnové délce 1315 nm je schopen poskytovat v hlavním laserovém svazku infračervené záblesky (pulzy) o energii až 1 kJ. Část z této energie může být vyvedena v několika vedlejších svazcích s řízeným časovým odstupem od hlavního pulzu. Vlnová délka laserových svazků může být konvertována na vlnovou délku odpovídající druhé (658 nm, červená) nebo třetí (438 nm, modrá) harmonické základní frekvence. Vzhledem k velmi krátké délce laserového pulzu (cca 350 ps) je špičkový pulzní výkon laseru obrovský – až 3 TW, tj. 3 milióny megawattů. Laser je schopen dodat takovýto obří puls zhruba jednou za půl hodiny. Výstupní svazek laseru PALS je velmi kvalitní, tj. prostorově homogenní, a stabilní, tj. jeho energie se výstřel od výstřelu prakticky nemění.

Pomocný svazek může být dle potřeby rozdělen do dvou svazků s poměrem energií 2 : 3 nebo 1 : 5. Oba tyto svazky mohou být nezávisle časovány vzhledem k hlavnímu svazku v rozmezí ±12 ns. Při použití pomocného svazku se příslušně snižuje energie hlavního svazku.

Pro laserový systém PALS je charakteristická vysoká kvalita výstupního laserového svazku, tj. vysoká prostorová homogenita jeho intenzity. Následující obrázky ve falešných barvách ukazují jednak vrstevnicovou mapu prostorového rozložení intenzity po průřezu svazku, sejmutou pomocí infračervené kamery svazkového analyzátoru Spiricon, s příčnými řezy intenzitním profilem, jednak prostorový 3D obrázek příslušného profilu.

Asterix IV / PALS je plynový laser, v němž se využívá atomů jódu ke generaci záření v blízké infračervené oblasti, na vlnové délce 1,315 µm. Jódový atom je přitom získáván z mateřské molekuly alkyljodidu C₃F₇I fotochemickým procesem nazývaným fotodisociace (nebo fotolýza). Atom se uvolňuje z chemické vazby prostřednictvím pulsního UV záření dodávaného výbojkami. Elektronový obal jódu vystupujícího z fotodisociační reakce je excitován, čímž je automaticky zformována inverze populace vzhledem k níže ležícímu základnímu stavu. Tím jsou vytvořeny podmínky pro laserovou akci.

K laserové akci dochází mezi hladinami jemné struktury ²P_1/2 a ²P_3/2 základní konfigurace 5s²5p⁵ neutrálního atomu jódu. Elektronová konfigurace těchto dvou hladin je zde popsána spektroskopickou notací příslušející tzv. LS vazbě, kterou lze aplikovat na atomy se slabou spin-orbitální interakcí. Horní levý index značí multiplicitu elektronového spinu, velké písmeno charakterizuje orbitální moment hybnosti a index vpravo dole vyjadřuje celkovou hodnotu elektronového momentu hybnosti.

Záření emitované přechodem mezi hladinami ²P_1/2 a ²P_3/2 je charakterizováno šesti blízkými spektrálními čarami, které se ve spektroskopické terminologii nazývají komponenty. Ke vzniku těchto komponent dochází tím, že magnetické pole jádra jódového atomu (jaderný spin 5/2) štěpí vyšší a nižší hladinu do 2 a 4 tzv. hladin hyperjemné struktury, přičemž výběrová pravidla omezují počet možných přechodů mezi těmito hladinami na šest. Nejsilnější spektrální komponenta odpovídá přechodu F = 3 -> 4, kde F značí celkový moment hybnosti hyperjemné hladiny.

Aktivní médium laseru Asterix IV/PALS obsahuje kromě isopropyljodidu C₃F₇I (v chemické notaci i-C₃F₇I) rovněž argon (Ar), který působí jako tzv. nárazníkový (buffer) plyn. Poměr parciálních tlaků alkyljodidu a argonu ve směsi je v jednotlivých laserových modulech různý. Argon je přesto vždy výrazně převažující složkou a typický celkový tlak v koncových zesilovačích dosahuje řádově 1 až 3 atmosféry (1 000 až 3 000 mbar). Argon sám nikterak k laserové akci nepřispívá, ve směsi má však tři významné funkce.

Předně, rozšiřuje atomovými srážkami šířku spektrální čáry emitovaného záření. Jednotlivé výše zmíněné spektrální komponenty se tím „slévají“ v jedinou spektrální čáru, jak je ukázáno na obrázku. To zvyšuje účinnost systému (tím, že se všechny spektrální komponenty „účastní“ laserové akce) a snižuje zisk zesílení malého signálu, což efektivně potlačuje možné parazitické oscilace laserového řetězce.

Za druhé, přítomnost argonu zlepšuje homogenitu čerpání v příčném směru tím, že „rozřeďuje“ alkyljodid v aktivním prostředí – parciální tlak alkyljodidu je nízký, přestože celkový tlak směsi (nutný pro výše popsané rozšíření spektrální čáry) je vysoký.

Za třetí, argon působí jako tepelný rezervoár absorbující část tepelné energie deponované do aktivního prostředí výbojkami. To pomáhá výrazně omezovat nežádoucí tepelný rozklad aktivního média ve fotolyzované pracovní směsi.

Hlavní laserový svazek o průměru 290 mm se po průchodu šestým prostorovým filtrem zavádí do interakční komory, ve které je optickou fokusační soustavou soustředěn na terčík. Průměr ohniskové skvrny na terčíku může být menší než 0,1 mm. Hustota světelného výkonu v ohnisku pak dosahuje nepředstavitelně velkých hodnot (až 10¹⁶ W/cm²), takže jakákoliv látka se zde promění ve žhavou ionizovanou hmotu – plazma – o teplotě až milióny stupňů. A právě toto laserem vytvářené plasma je v laboratoři PALS hlavním předmětem zkoumání.

Pomocný svazek o průměru 148 mm a energii do 100 J se získává odštěpením části hlavního svazku za čtvrtým zesilovačem pomocí polopropustného zrcadla. Jeho zpoždění vůči hlavnímu svazku lze měnit pomocí optických zpožďovacích linek. Pomocný svazek se využívá např. k předionizaci terčíku, tj. k vytváření tzv. předplazmatu.

Obdobně se získává tzv. diagnostický svazek o ještě menším průměru a energii do 10 J, potřebný pro sondování a měření parametrů plazmatu vytvářeného hlavním laserovým paprskem. Diagnostický svazek bývá většinou konvertován do červené nebo modré barvy.

Výstřel laserového systému začíná v oscilátorové sekci, jež vytváří počáteční slabý světelný pulz určený k dalšímu zesilování řetězcem laserových zesilovačů. Oscilátorová sekce sestává z vlastního řídicího (master) oscilátoru a z předzesilovače. Řídicí oscilátor generuje sekvenci několika téměř identických světelných pulzů, z nichž jeden je vybrán k dalšímu zesílení pomocí elektricky spouštěných optických závěrek, zvaných Pockelsovy cely.

Délka počátečního laserového pulzu generovaného oscilátorovou sekcí je určena tlakem aktivního laserového média v oscilátoru a výkonem přiváděným do zařízení zvaného akusticko-optický modulátor, jenž je nezbytnou součástí oscilátoru. Tímto způsobem je možné do jisté míry měnit počáteční délku zesilovaného pulzu, teoreticky v rozmezí od 180 do 700 ns. Optimálního režimu laseru se nicméně dociluje při počáteční délce pulzu okolo 500 ns. Během průchodu zesilovacím řetězcem se délka pulzu poněkud zkracuje, vlivem částečné saturace (vyčerpání) aktivního laserového média během počáteční fáze pulzu, které ovlivní zesílení jeho koncové části. Obdobně dochází k částečnému zkrácení laserového pulzu v tzv. saturovatelném absorbátoru, dalším z optických „vrátek“ zesilovacího řetězce (viz opět podrobné schéma zesilovacího řetězce). Laserový pulz na výstupu zesilovacího řetězce je tím cca 1,5 krát kratší než na počátku.

Laserový řetězec Asterix IV/PALS zahrnuje celkem pět výkonových zesilovačů. Jejich úkolem je zesílit pulsy přicházející z oscilátorové části na energii až jeden kilojoule. Velikost jednotlivých zesilovačů postupně narůstá směrem ke konci řetězce – finální pátý zesilovač je dlouhý přes 13 m (viz obrázek) a poskytuje laserový svazek o průměru 29 cm. Zlomek sekundy před vlastním laserovým výstřelem jsou zesilovače „aktivovány“ vybitím velkých baterií kondenzátorů do výbojek, které obklopují kyvety zesilovačů obsahující plynné pracovní prostředí. Intenzivní záblesk nekoherentního ultrafialového záření produkovaného výbojkami dá v kyvetách vzniknout velkému množství excitovaných atomů jódu, které jsou „připraveny“ odevzdat svoji přebytečnou energii laserovému pulsu přicházejícímu z oscilátorové části.

Výkonové zesilovače na bázi plynného aktivního prostředí mají tu výhodu, že – na rozdíl od pevnolátkových laserů – nemůže dojít k jejich optickému poškození či destrukci. Plynné aktivní prostředí dále umožňuje dosahovat excelentní optické kvality výstupního laserového svazku – systém PALS poskytuje svazek mající lepší prostorovou homogenitu než je tomu u většiny současných pevnolátkových laserových systémů o srovnatelném výkonu.

Zesilovače jsou sestaveny z několika stejných modulů. Každý modul se skládá z křemenné trubice obklopené výbojkovými bloky upevněnými na laminovaném krycím plášti. Koncový zesilovač A5 se například skládá z osmi modulů přibližně 1 m dlouhých, z nichž každý zahrnuje 12 výbojek připevněných na dvou půlválcových blocích, které usnadňují přístup a údržbu. V tabulce jsou uvedeny aktivní délky, průměr svazku a typický parciální tlak pracovního a nárazníkového (buffer) plynu pro každý zesilovač.

Čerpací výbojky zesilovačů jsou tvořeny křemennými trubicemi plněnými xenonem. Na výbojky je z baterie kondenzátorů přiváděno napětí v rozmezí 30 až 40 kV (v závislosti na požadované výstupní energii laseru). Vybíjecí obvod formuje elektrický výboj, jenž je zdrojem světelných pulsů o délce 2 – 10 μs, s maximem ve spektrální oblasti 250-300 nm. Žlutozelené světlo v oblasti 500 nm dále pomáhá rozkládat molekuly jódu I₂ tvořící se samovolně v aktivním médiu.

Použití krátkých UV pulsů k čerpání aktivního média má dvě zásadní výhody.

Za prvé, výtěžek produkce excitovaných atomů jódu z mateřských alkyljodidových molekul je značně vysoký (téměř 50 %), protože fotolýzou vzniká méně nežádoucích vedlejších produktů. Výsledná relativně jednoduchá chemická kinetika navíc dovoluje po každém výstřelu provádět regeneraci laserového média a umožňuje tak hospodárný provoz celého systému.

Za druhé, krátké čerpání vytváří inverzi populace během několika mikrosekund. Zesílení může tedy proběhnout v homogenním aktivním prostředí, dříve než je tato homogenita narušena akustickými vlnami, které se začnou formovat řádově po několika desítkách mikrosekund v důsledku lokálního ohřevu stěn kyvety světlem výbojek.

Konstrukční řešení výbojek zaručuje, že elektrický výboj nastává vždy v blízkosti osy výbojky, což minimalizuje zatížení křemenné trubice a tím i nebezpečí jejího poškození či destrukce. Elektrický proud je veden zpět podél výbojky čtyřmi symetricky umístěnými uzemněnými tyčovými vodiči; kovový optický odražeč, sloužící k vazbě čerpacího UV záření z výbojky do aktivního prostředí, je na plovoucím potenciálu. Pole uvnitř výbojky je tedy plně určeno elektrodami a tyčovými vodiči a je osově symetrické. Xenonová náplň výbojek je ve všech zesilovačích pravidelně obměňována. Cílem této obměny je odstraňování molekulárních nečistot, které by snižovaly výkon a životnost výbojek. Všechny výbojky jsou chlazeny uzavřeným dusíkovým okruhem, který během několika minut po výstřelu obnovuje jejich tepelnou rovnováhu (systém navíc ochlazuje kyvetu zesilovače). Výměna výbojek se provádí po 600 až 1 000 výstřelech na úrovni maximální energie.

Aktivní prostředí je regenerováno pomocí kryogenních souprav (vymrazovaček) umístěných v nejnižším patře budovy, ve kterých je uchováván kapalný C₃F₇I při teplotě odpovídající tlaku nasycených par, při němž zesilovač pracuje. Systém odstraňuje produkty výbojů jako například I₂, které by jinak silně snižovaly inverzi populace. Rychlost regenerace náplně zesilovačů A3, A4 a A5 se zvyšuje lokálním ohřevem, který vytváří tlakový gradient a umožňuje opakování výstřelů každých 25 min.

Prostorový filtr je vlastně teleskop sestávající ze dvou čoček se společným ohniskem. V rovině ohniska je umístěna clonka s malým kruhovým otvorem. Laserový svazek je fokusován první čočkou, prochází otvorem clonky a je druhou čočkou přeměněn opět na rovnoběžný.

Na trase laserového systému PALS je rozmístěno celkem šest prostorových filtrů. Pět z nich zajišťuje optickou vazbu vždy mezi dvojicí následujících laserových zesilovačů, zatím co šestý filtr zobrazuje svazek z výstupní roviny posledního zesilovače A5 na konverzní DKDP krystaly. Všechny prostorové filtry jsou vakuově čerpané a sestávají z trubek z nerezové oceli, opatřených na koncích vakuově těsnými držáky plan-konvexních čoček. Držáky jsou namontovány na pružných vlnovcích, umožňujících správné nastavení čoček při justáži celého optického zesilovacího řetězce.

Odstranit lokální modulace intenzity svazku je úkolem tzv. prostorové filtrace.

Vstupní čočka filtru vytváří ve své ohniskové rovině difrakční obrazec, jenž je Fourierovou transformací rozdělení intenzity světla v předmětové rovině. Difrakční obrazec je tak vlastně prostorové frekvenční spektrum intenzity laserového svazku, ve kterém jsou frekvence úměrné vzdálenosti od osy systému. Vyšší prostorové frekvence, odpovídající modulacím intenzity malých rozměrů, se proto nacházejí na velkých vzdálenostech od osy. Vložením clonky s malým otvorem do ohniskové roviny můžeme proto tyto vyšší prostorové frekvence jednoduše zadržet, odfiltrovat. Naopak nízkofrekvenční složky prostorového spektra, odpovídající hladkému profilu svazku, se nacházejí v blízkosti osy a procházejí otvorem clonky volně. Výstupní čočka prostorového filtru, zobrazující změněný difrakční obrazec do výstupní obrazové roviny, pak ve skutečnosti provádí inverzní Fourierovu transformaci vyfiltrovaného prostorového spektra. V prostorových filtrech laserového systému PALS mají otvory ve clonkách prostorových filtrů průměr okolo 2 mm