Nauja lazerinė sistema leidžia pažvelgti į plika akimi nematomą ir itin greitą pasaulį

Lazeriai tapo nepakeičiama šiuolaikinio pasaulio infrastruktūra – ne visada pastebima, bet būtina daugelyje technologinių procesų. Be lazerių šiandien pasaulis paprasčiausiai sustotų. Jie veikia visur – nuo kasdienių technologijų, medicinos ir pramonės įrenginių iki fundamentinių tyrimų laboratorijų. Tačiau retai minima, kad viena ryškiausių lazerių istorijų rašoma būtent Lietuvoje.

Mūsų mokslininkai yra atsakingi už ne vieną reikšmingą tarptautinį proveržį lazerių srityje, todėl galime be perdėto kuklumo sakyti, kad Lietuva šioje srityje yra tarp lyderių ir tendencijų formuotojų. Naujausias to įrodymas – sukurta nauja hibridinė femtosekundinė lazerinė sistema, galinti atverti naujas galimybes tiek fundamentiniuose tyrimuose, tiek pramonėje.

Kuo ypatingi femtosekundiniai lazeriai?

Femtosekundiniai lazeriai skleidžia šviesos blyksnius, kurių trukmė tokia trumpa, kad viena sekundė, palyginti su viena femtosekunde, žmogaus protui atrodytų kaip amžinybė. Per sekundę šviesa nuskrieja atstumą, prilygstantį septynioms su puse kelionės aplink Žemę. Tuo tarpu per vieną femtosekundę ji įveiktų tik mažą žingsnelį, kuris būtų trumpesnis net už žmogaus plauko storį. Į vieną sekundę telpa tiek femtosekundžių, kiek sekundžių yra 31,7 mln. metų. Tokie itin trumpi šviesos impulsai leidžia mokslininkams realiu laiku fiksuoti reiškinius, kurių žmogaus akis ir jokie įprasti prietaisai tiesiog neįstengtų pamatyti. 

Lietuvoje kuriamos lazerinės sistemos sėkmingai eksportuojamos į daugiau nei 90 šalių – jos naudojamos NASA, Europos mokslinių tyrimų Ekstremalios šviesos infrastruktūroje (angl. Extreme Light Infrastructure, ELI). Tačiau tokia sėkmė ir tarptautinis pasitikėjimas neatsirado per naktį. Tai – penkių dešimtmečių nuoseklaus mokslininkų darbo rezultatas. Gilios tradicijos skatina ieškoti vis pažangesnių technologinių sprendimų ir kurti unikalias lazerių sistemas. Femtosekundiniai lazeriai – tai naujausias šios tradicijų tąsos pavyzdys.

Nepaisant įspūdingos pažangos, kurti didelio pasikartojimo dažnio ir didelės galios femtosekundinius lazerius tebėra labai sudėtinga. Jų potencialas priklauso ne tik nuo impulsų trukmės, bet ir nuo to, kaip dažnai šie impulsai sąveikauja su medžiaga ir kiek energijos išspinduliuojama per tam tikrą laiką. Dažnas impulsų generavimas lemia šilumos kaupimąsi, o tai gali pabloginti šviesos pluošto kokybę ir pažeisti jautrias sistemos dalis. Todėl suderinti itin trumpą impulsų trukmę, didelį pasikartojimo dažnį ir didelę galią iki šiol išlieka vienu sudėtingiausių lazerių fizikos uždavinių, o femtosekundinių lazerių galimybės – nors komercinės sistemos egzistuoja jau daugiau nei tris dešimtmečius – dar nėra iki galo išnaudotos.

Sukurta nauja femtosekundinė lazerinė sistema

Didelio pasikartojimo dažnio ir didelės vidutinės galios femtosekundinių sistemų kūrimo iššūkius siekia įveikti Vilniaus universiteto Fizikos fakulteto Lazerinių tyrimų centro mokslininkai. Naujausias jų pasiekimas – hibridinė lazerinė sistema, kuri jungia kelių technologijų privalumus ir atveria kelią dar galingesniems femtosekundiniams lazeriams. 

Naujoji sistema generuoja ypač trumpus, 114 femtosekundžių (t. y. 114 kvadrilijoninių sekundės dalių) trukmės impulsus, kurie kartojasi itin dideliu 76 MHz dažniu. Tai reiškia, kad per vieną sekundę išspinduliuojami net 76 milijonai atskirų impulsų. Jei įsivaizduotume lietaus lašus, tai toks jų kiekis, per sekundę iškrentantis 10 kvadratinių metrų plote, mums atrodytų kaip vientisa vandens srovė. Nors kiekvienas impulsas yra neįtikėtinai trumpas, jų tiek daug, kad bendra per tą laiką išspinduliuojama galia, vadinamoji vidutinė lazerio galia, siekia net 72 vatus. Tai yra beveik keturis kartus daugiau nei komerciškai siūlomose sistemose. 

Siekiant generuoti tokius didelės vidutinės galios, didelio pasikartojimo dažnio ir femtosekundinės trukmės lazerio impulsus, reikia į vieną sistemą sujungti net kelias skirtingas technologijas. Viena, vadinama čirpuotų impulsų šviesolaidiniu lazeriniu stiprinimu (angl. fiber chirped pulse amplification, FCPA), leidžia sustiprinti lazerio impulsus išlaikant pluošto kokybę ir išvengiant terpės pažeidimų, bet kartu apriboja galimybę pasiekti labai trumpą impulsų trukmę.

Antroji technologija, vadinama pradinio valdomo čirpo šviesolaidiniu lazeriniu stiprinimu (angl. pre-chirp managed amplification, PCMA), lemia, kiek lazerio impulsas prieš stiprinimą yra ištempiamas laike: jo trukmė parenkama ne maksimaliai ilga, o labiausiai tinkanti konkrečioms stiprinimo sąlygoms. Tai suteikia galimybę sustiprinti lazerio impulsus iki didelės galios, išlaikant pluošto kokybę ir kartu impulso spūdumą. Taigi galime išlaikyti artimą ar net trumpesnę nei pradinė sustiprinto impulso trukmę.

Lazerinių tyrimų centro mokslininkai sukūrė hibridinę šviesolaidinio lazerinio stiprinimo sistemą, kuri sujungė abiejų šių technologijų stipriąsias savybes. Naujosios sistemos veikimas pagrįstas nuosekliomis, tarpusavyje suderintomis pakopomis, kurių tikslas – sustiprinti lazerio impulsus iki didelės vidutinės galios, išlaikant pradinę impulso trukmę, aukštą šviesos pluošto kokybę ir geras spektrines savybes (1 pav.). Iš pradžių lazerinis šaltinis dideliu pasikartojimo dažniu generuoja itin trumpus, 114 femtosekundžių trukmės, nedidelės energijos impulsus. Vėliau šie impulsai išplečiami laike: jų trukmė padidinama keliolika kartų iki optimalaus, stiprinimo sąlygų nustatyto dydžio. Tai leidžia efektyviai stiprinti impulsus neprarandant jų spūdumo, kartu reikšmingai sumažinant smailinį spinduliuotės intensyvumą ir išvengiant stiprinimo terpės pažeidimų. Kitame etape lazerinėje sistemoje naudojamas apie 80 cm ilgio šviesolaidinis strypas. Jame impulsai stiprinami perduodant jiems energiją iš išorinio šaltinio. Dėl tokios strypo formos šviesos pluoštas išlieka aukštos kokybės net tada, kai lazeris veikia labai didele galia. Galiausiai sustiprinti impulsai vėl „suspaudžiami“ iki pradinės trukmės (114 fs). Kadangi per tokį trumpą laiką sukaupiama daug energijos, pasiekiamas itin didelis smailinis intensyvumas, o kartu išlaikomos puikios spektrinės ir erdvinės charakteristikos. 

Rezultatas – itin trumpi, didelio pasikartojimo dažnio ir galingi šviesos impulsai. Tokie lazeriai leidžia atlikti naujus mokslinius tyrimus ir gali būti plačiai pritaikomi praktiškai. 

Kodėl šios lazerio savybės yra svarbios?

Hibridinės lazerinės sistemos pasiektos charakteristikos nėra vien tik technologinis pasiekimas. Jos lemia, kokius procesus galima tirti ir kaip tiksliai juos galima valdyti. Pavyzdžiui, labai trumpi – femtosekundinės trukmės – šviesos blyksniai leidžia itin tiksliai stebėti, kur šviesa sąveikauja su medžiaga, ir sumažinti nepageidaujamą šiluminį poveikį aplinkinėms sritims. Tokie itin trumpi impulsai taip pat leidžia stebėti labai greitus procesus, pavyzdžiui, atomų judėjimą ar chemines reakcijas, kurių neįmanoma užfiksuoti jokiais kitais matavimo metodais. 

Be to, didelė vidutinė lazerinės sistemos galia užtikrina pakankamai gerą signalo stiprumą net ir tais atvejais, kai dalis šviesos prarandama dėl sklaidos ar sugerties. Didelis impulsų skaičius (t. y. jų pasikartojimo dažnis) leidžia per trumpą laiką surinkti daug matavimo duomenų. Dėl to galima greitai apskaičiuoti signalo vidurkį, patikimai jį atskirti nuo foninio triukšmo ir gauti labai tikslų rezultatą. Aukšta šviesos pluošto kokybė leidžia lazerio spinduliuotę sufokusuoti į labai mažą tašką, kuriame pasiekiamas ypač didelis šviesos smailinis intensyvumas. Tai suteikia galimybę energiją nukreipti tiksliai ten, kur jos reikia, užtikrinant erdvinį tikslumą, efektyvų energijos panaudojimą ir sumažinant nepageidaujamą poveikį aplinkinėms sritims. 

Kur gali būti panaudojama ši lazerinė sistema?

Tokios hibridinės lazerinės sistemos savybės ypač svarbios pažangiam vaizdinimui, pavyzdžiui, netiesinėje mikroskopijoje. Mokslininkai ir gydytojai gali atlikti stebėseną realiu laiku nepažeisdami tiriamų audinių. Čia būtinas lazerinis šaltinis, kuris suteiktų galimybę greitai gauti patikimą informaciją, išlaikant didelį jautrumą ir erdvinį tikslumą. 

Naujoji hibridinė lazerinė sistema tai užtikrina – ji leidžia greitai gauti aiškius vaizdus ir fiksuoti net silpnus ar trumpalaikius ląstelių pokyčius. Tokie vaizdai gali padėti anksti nustatyti ligas ir stebėti, kas tiksliai vyksta ląstelėse.

Be pažangių vaizdinimo technologijų, naujai sukurtos lazerinės sistemos savybės svarbios ir terahercinės (THz) spinduliuotės generacijai. THz spinduliuotė – tai ypatinga šviesa, kurios dažnis didesnis nei radijo bangų ir mikrobangų, bet mažesnis nei infraraudonosios šviesos. Tokia spinduliuotė geba prasiskverbti pro daugelį medžiagų, kurios nepraleidžia įprastos šviesos, ir parodo jų vidinę struktūrą bei sudėtį. 

THz spinduliuotė plačiai taikoma vaizdinimui nepažeidžiant tiriamų objektų, taip pat medžiagoms identifikuoti, pavyzdžiui, sluoksniuotų medžiagų kokybės kontrolei pramonėje, istorinių meno kūrinių tyrimuose, saugumo patikrose, padirbtiems vaistams identifikuoti neatidarant pakuočių. Kadangi THz spinduliuotė dažniausiai generuojama femtosekundinių lazerio impulsų sukeltų netiesinių procesų metu, didelė lazerio vidutinė galia, didelis impulsų pasikartojimo dažnis ir itin trumpa impulsų trukmė yra esminiai veiksniai, leidžiantys gauti stiprų ir stabilų THz signalą. 

Kelias naujų lazerinių sprendimų link

Vilniaus universiteto mokslininkų sukurta hibridinė femtosekundinė lazerinio stiprinimo sistema – tai pirmasis etapas ir atspirties taškas tolesnei lazerinės sistemos plėtrai. Šiuo metu kuriamas didelio pasikartojimo dažnio vidutinės galios femtosekundinis lazerinis šaltinis, galintis plačiai derinti bangos ilgį ultravioletinėje ir regimojoje spektro srityse. Tokia lazerinė sistema būtų labai naudinga daugybėje medžiagų apdirbimo ir fundamentinio mokslo sričių, pavyzdžiui, tiriant ląsteles netiesinėje mikroskopijoje ar nustatant, iš ko sudarytos medžiagos ir kokių savybių jos turi. 

Tobulinama lazerinė sistema ne tik dar labiau išplės mokslinių tyrimų galimybes, bet ir leis tyrimus bei taikomuosius darbus atlikti greičiau, tiksliau ir efektyviau. 

Visa sistema ar jos dalys ateityje gali būti išvystytos į komercinius produktus, siūlomus kartu su femtosekundiniais lazeriais, ar atskirus prietaisus, kurie prisidėtų prie tolesnio Lietuvos lazerių pramonės augimo.

Šiems moksliniams tyrimams finansavimą skyrė Lietuvos mokslo taryba (LMTLT), sutarties Nr. S-MIP-23-23.