211service.com
Stavba nejvýkonnějšího laseru na světě
Letos v březnu vědci na Národní zapalovací zařízení demonstroval 1,1 megajoulový laser navržený tak, aby zažehl reakce jaderné fúze do roku 2010. Technologie zařízení, která je umístěna v Lawrence Livermore National Laboratory v Kalifornii, však zatím nedokáže vyrobit dostatek energie pro pohon praktické elektrárny. Takže i když se fyzici těší na demonstraci v příštím roce, pracují na ještě výkonnějších laserech, které by mohly umožnit metodu pro druh laserem indukované fúze nazývané rychlé zapálení.
Zapnout: Tento laser dokáže dodat 200joulový puls světla trvající pouhých 100 femtosekund. Kabely vlevo pumpují energii do zelených zábleskových lamp, které pumpují laser.
Tento týden v výroční zasedání z Optics Society of America v San Jose v Kalifornii představili vědci z University of Texas plány na vybudování exawattového laseru, který by byl o tři řády výkonnější než cokoli, co dnes existuje. Dnešní nejvýkonnější lasery pracují řádově kolem petawattu, neboli 10 až 15 (jeden kvadrilion) wattů. Exawatt je 10 až 18 wattů. Exawattové lasery budou schopny koncentrovat tento výkon v oblastech měřících mikrometry, čímž vzniknou obrovské intenzity.
Jedním ze způsobů, jak zvýšit výkon laseru, je zkrátit dobu trvání laserového pulsu. Ale práce s laserovými pulsy v řádu pikosekund nebo dokonce femtosekund je obtížná, protože takové pulsy jsou tvořeny širokou šířkou pásma světelných frekvencí, které poškozují optické sklo, včetně fosfátového skla, které se často používá k zesílení laserového světla, například v National Ignition Zařízení.
Todd Ditmire , ředitel High Intensity Laser Science Group na Texaské univerzitě v Austinu, na schůzce tento týden uvedl, že nový typ skla by měl být schopen zvládnout intenzivní pulsy světla potřebné k vytvoření exawattového laseru. Sklo by bylo dopováno a použito k vytvoření zařízení zvaných zesilovače – když světlo z laseru svítí na zesilovač skla, ionty ve skle absorbují světlo a znovu ho vyzařují s vyšší energií. Sklo je jen hostitel – je to průhledný materiál, který drží ionty, říká Ditmire.
Výhodou lepení sklem místo jiného materiálu je, že z něj výrobci mohou snadno vyrobit velká zařízení, což zvyšuje výkon výsledného paprsku. Naproti tomu titanový safír může fungovat jako zesilovač pro vysoce výkonné lasery, ale je obtížné ho vyrobit ve velkých kusech, říká Ditmire. Spolupráce s německým výrobcem Schott Texaská skupina začala charakterizovat vlastnosti svého nového typu skla, které kombinuje silikát, materiál tvořící každodenní skleněné předměty, s kovovým prvkem tantalem. Ditmire říká, že jeho skupina nyní spolupracuje se Schottem na vytvoření větších kusů materiálu, které budou sestaveny pro výrobu prototypu laseru.
Ditmire očekává, že první aplikace exawattových laserů bude jako zdroje energie pro lékařské urychlovače částic. Bombardování nádorů protony způsobuje méně vedlejších účinků než rentgenová terapie, protože protony uvolňují svou energii najednou a šetří okolní tkáně. Protonová terapie se však široce nepoužívá, protože vyžaduje velké urychlovače částic. Kompaktní exawattové lasery by měly být dostatečně výkonné, aby urychlily protony pro lékařskou terapii.
Nejzajímavější potenciální aplikace pro exawattové lasery je však ve fúzních elektrárnách, které se spoléhají na proces nazývaný rychlé zapálení. V raných fázích bude National Ignition Facility používat petawattové lasery ke stlačování pelety zlatého paliva, dokud se nezahřeje na 100 milionů °C, čímž spustí fúzi. Také na konferenci tento týden vědci ze zařízení oznámili, že dokončili další krok na cestě k řízeným fúzním reakcím a popisují předběžné testy svého systému pomocí 500 000 joulů pulzu k implodaci pelety fúzního paliva.
Rychlé zapalování funguje jinak. Namísto jediného pulzu by tato technika používala lasery s nižším výkonem ke stlačení paliva, aniž by se museli starat o jeho zahřátí, a poté laser s krátkým pulzem [exawatt], který funguje jako zapalovací svíčka a zažehne fúzní reakci, říká Ditmire.
Zda to bude fungovat, je sporné, připouští Ditmire. Nasměrování tak krátkého pulzu může být problematické. Teoreticky by však proces rychlého zapalování měl vyžadovat méně energie. Nejdůležitějším měřítkem výkonu fúzního reaktoru je jeho zisk neboli poměr energie potřebné k provozu laserů k množství energie produkované reakcí. Cílem zařízení v Livermore je zisk 15 až 20. K výrobě fúzní elektrárny potřebujete zisk 100 a výpočty ukazují, že by ho mohly získat exawattové lasery, říká Ditmire.
Ale nový skleněný materiál není jediným klíčem k vybudování exawattového laseru. Ditmireova skupina také zaznamenala úspěch s novými zesilovacími technikami pro vytváření velmi krátkých pulzů pomocí univerzitních Texas Petawatt Laser . Podle Ditmirea je trikem k dosažení velmi vysokého výkonu technika zvaná cvrlikání, při které se různé frekvence světla oddělují, prochází skleněnými zesilovači a poté kompresorem, aby je daly dohromady do jediného pulzu s vyšším výkonem. . Metoda skupiny Texas kombinuje různé typy skleněných zesilovačů pro tento proces, což umožňuje větší kompresi světla a tím další zvýšení výkonu. Na schůzce Ditmire oznámil použití této techniky k vytvoření 100-femtosekundových pulzů.
Ditmire není jediným výzkumníkem, který tlačí na vývoj exawattových laserů. Vynálezce cvrlikání, Gérard Mourou z Ecole Polytechnique ve Francii stojí v čele evropského projektu exawattového laseru s názvem NEBO nebo Extreme Light Infrastructure. Evropská skupina plánuje použití titanových safírových zesilovačů namísto klasického skla.