Portal środowiska akademickiego i naukowego

13 maja 2010

Narodowe Laboratorium Technologii Kwantowych

Pół wieku lasera

16 maja upływa pół wieku od wynalezienia lasera – urządzenia, które przekształciło światło w uniwersalne narzędzie, zrewolucjonizowało rozwój nauki i techniki oraz podniosło standard życia miliardów ludzi.

Pół wieku temu, 16 maja 1960 roku, kalifornijskie laboratorium Theodore’a Maimana rozświetlił pierwszy błysk światła laserowego. Już od pierwszych chwil laser i emitowane przez niego wiązki światła budziły wielkie zainteresowanie, lecz nikt się nie spodziewał, że ten egzotyczny wynalazek wkrótce podbije świat. – Lasery są obecnie stosowane w tak wielu dziedzinach, że często nie zdajemy sobie sprawy z faktu używania produktów lub technologii, które bez nich nie mogłyby istnieć – mówi prof. dr hab. Czesław Radzewicz z Narodowego Laboratorium Technologii Kwantowych. Tę niezwykłą karierę lasery zawdzięczają unikatowym cechom emitowanego przez nie światła.

Fotony pochodzące z typowych źródeł, np. z żarówki, świetlówki lub Słońca, niosą różne energie i lecą w dowolnych kierunkach. Nieco podobnie zachowują się ludzie spacerujący po dużym placu: każdy jest nieco inaczej ubrany i idzie dokąd chce, w odpowiadającym tylko jemu rytmie. Na plac może jednak wejść wojskowa defilada. Wszyscy żołnierze mają te same mundury, idą wyprostowani, zgodnym krokiem, w tę samą stronę. Światło laserowe ma podobną organizację: tworzące je fotony poruszają się w jednym kierunku (wiązka jest skolimowana), niosą niemal identyczną energię (są monochromatyczne), związane z nimi fale świetlne drgają w tej samej płaszczyźnie (polaryzacja liniowa), a ich grzbiety i doliny są zsynchronizowane (koherentne – zgodne w fazie).

Tak uporządkowane światło okazało się idealnym narzędziem dla naukowców i inżynierów. Monochromatyczność pozwala selektywnie oddziaływać na wybrane rodzaje atomów i cząsteczek. Za pomocą wiązek laserowych dokonuje się najbardziej precyzyjnych pomiarów fundamentalnych wielkości, takich jak odległość i czas. Światło laserowe daje się też przetwarzać: można zmieniać jego częstotliwość, wzmacniać, ogniskować na mikroskopijnych powierzchniach i „upakować” w ultrakrótkie impulsy, trwające zaledwie milionowe części jednej miliardowej sekundy. „Już pierwszy cykl pola elektrycznego w takim impulsie wyrzuca z atomu wszystkie elektrony” – opisuje dr Yuriy Stepanenko z Centrum Laserowego Instytutu Chemii Fizycznej PAN. Ultrakrótkie impulsy są więc świetnymi narzędziami do obróbki materiałów, w tym tych najtwardszych: diamentów.

Do zaprowadzenia porządku w pooddziale wystarczy surowy kapral, lecz jak zmusić do posłuszeństwa fotony? Podstawą działania większości współczesnych laserów jest zjawisko emisji wymuszonej, przewidziane przez Alberta Einsteina w 1916 roku. Einstein zauważył, że gdy atom przebywa w stanie wzbudzonym, padający na niego foton o odpowiedniej energii nie tylko nie zostanie pochłonięty, ale wymusza emisję drugiego fotonu o identycznych cechach. Proces prowadzi zatem do powielenia pierwotnego fotonu. Przez długi czas efekt ten nie przyciągał większego zainteresowania. Wzbudzone atomy szybko wracają do stanu podstawowego i nie spodziewano się, że kiedykolwiek uda się wytworzyć inwersję obsadzeń, czyli niezbędny do wzmacniania światła stan, w którym większość atomów jest wzbudzona. Dopiero w 1954 roku na Columbia University w Nowym Jorku uzyskano inwersję obsadzeń w amoniaku, co pozwoliło wygenerować spójne promieniowanie mikrofalowe. Ten „mikrofalowy wzmacniacz działający dzięki wymuszonej emisji promieniowania” nazwano maserem, akronimem pochodzącym od angielskiej nazwy Microwave Amplification by the Stimulated Emission of Radiation. Lata pięćdziesiąte upłynęły pod znakiem wyścigu, którego celem było skonstruowanie masera działającego w zakresie fal widzialnych. W 1958 roku Charles Townes i Arthur L. Schawlow wraz ze współpracownikami opisali teoretyczne podstawy działania maserów optycznych, czyli laserów (literę „m” od „microwave” zastąpiło „l” pochodzące od „light”). Zwycięzcą rywalizacji ostatecznie okazał się Theodore Maiman z Hughes Electric Corporation w Kalifornii – 16 maja 1960 roku udało mu się uruchomić pierwszy laser.

Laser Maimana był rubinowym prętem umieszczonym wewnątrz spiralnej lampy, pobudzającej do świecenia atomy chromu zawarte w krysztale. Wyemitowane fotony odbijały się wielokrotnie od wyszlifowanych, posrebrzanych końcówek pręta, pełniących rolę równoległych luster (taki układ jest nazywany rezonatorem optycznym). W kolejnych latach udało się wytworzyć akcję laserową w gazach i cieczach. Dziś najpopularniejsze są lasery półprzewodnikowe, w których fotony są emitowane podczas przepływu prądu elektrycznego przez stosowną strukturę półprzewodnikową. Lasery tego typu trafiły dosłownie pod strzechy. W każdym sklepie działa laserowy skaner kodu paskowego, w niemal każdym domu znajduje się wskaźnik laserowy, drukarka laserowa lub wyposażony w diodę laserową czytnik dysków optycznych CD, DVD lub Blue Ray.

Po zaledwie 50 latach od wynalezienia, trudno sobie wyobrazić dziedzinę życia, w której lasery nie byłyby obecne. Umożliwiają przeprowadzanie operacji chirurgicznych w warunkach idealnej sterylności, pomagają korygować wzrok, leczą stany zapalne, usuwają blizny i znamiona skóry, są nawet stosowane do depilacji. W przemyśle używa się ich do cięcia i spawania, w telekomunikacji do przesyłania informacji za pomocą światłowodów. Zbudowane dzięki nim optyczne zegary atomowe mylą się mniej niż sekundę na miliardy lat. Lasery działają w pracowniach mikroskopowych i spektroskopowych. Potrafią schłodzić substancje do temperatur bliskich zeru bezwzględnemu lub rozgrzewać do tak wysokich, że naukowcy pracują nad ich wykorzystaniem do generowania dużych ilości energii za pomocą kontrolowanej fuzji termojądrowej. Dzięki laserom powstała holografia, technika zapisu obrazu przestrzennego, stosowana także do przechowywania dużych ilości danych i oznaczania markowych produktów. Lasery są używane do skanowania trójwymiarowego przedmiotów, wnętrz i całych budynków, a laserowe radary – lidary – monitorują zanieczyszczenia atmosfery.

Dzięki odkrytej w latach 80. ubiegłego wieku technice wzmacniania i generowania ultrakrótkich impulsów laserowych stało się możliwe kontrolowane otrzymywanie mocy sięgających setek terawatów. – To wartości ogromne, porównywalna z mocą wytwarzaną przez wszystkie elektrownie naszej planety – mówi dr Piotr Wasylczyk z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Prawdopodobnie już za trzy lata ruszy laser o mocy w impulsie aż 200 petawatów, budowany w ramach europejskiego projektu Extreme Light Infrastructure. Laser ten pozwoli po raz pierwszy obserwować dynamikę zjawisk zachodzących w skali attosekund, czyli miliardowych części jednej miliardowej sekundy. W tak krótkich skalach czasowych można precyzyjnie obserwować np. ruch elektronów w reakcjach chemicznych – procesach dominujących w naszym otoczeniu.

Współczesne lasery są instalowane w urządzeniach korzystających ze zjawisk optyki klasycznej, w tym nieliniowej. – Światło laserowe jest jednak jednym z najważniejszych narzędzi w dopiero powstających technologiach kwantowych – podkreśla mgr Michał Karpiński z Narodowego Laboratorium Technologii Kwantowych. Rozwijane w Polsce i na świecie od kilkunastu lat, technologie te potencjalnie mogą znaleźć wiele zastosowań. Do najbardziej spektakularnych należałaby budowa komputerów kwantowych. Pewne typy obliczeń urządzenia te potrafiłyby zakończyć w czasie nawet miliardy razy krótszym od potrzebnego współczesnym, klasycznym maszynom. Za pomocą laserów wytwarza się fotony splątane, wykorzystywane w kryptografii kwantowej, która jest całkowicie odporna na próby podsłuchu. Światło laserowe to także istotny element współczesnych technologii związanych ze spintroniką, dziedziną określaną jako elektronika przyszłości.

Lista zastosowań laserów wciąż się rozszerza – na obszary już istniejące lub takie, których powstanie zostało zainspirowane możliwościami światła laserowego. Tę ogromną dynamikę rozwoju doskonale skomentował francuski fizyk Gérard Mourou, odkrywca techniki wzmacniania światła laserowego i wytwarzania ultrakrótkich impulsów. Podczas jednej z niedawnych konferencji stwierdził: „W świecie laserów nie ma granic – są tylko horyzonty”.

Narodowe Laboratorium Technologii Kwantowych (nltk.fuw.edu.pl) to konsorcjum złożone z wiodących w kraju jednostek naukowych zajmujących się badaniami w zakresie technologii kwantowych, w tym informatyki kwantowej, inżynierii kwantowej oraz dziedzin pokrewnych. W skład NLTK wchodzą: Uniwersytet Warszawski, Politechnika Wrocławska, Instytut Fizyki PAN, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, Uniwersytet Jagielloński, Uniwersytet Gdański, Uniwersytet Łódzki i Centrum Fizyki Teoretycznej PAN. W pięciu spośród ośmiu instytucji tworzących konsorcjum NLTK (UW, PWr, IF PAN, UMK, UJ) jest realizowany projekt o tej samej nazwie, którego celem jest utworzenie i wyposażenie członkowskich jednostek naukowych w sprzęt niezbędny do prowadzenia wspólnych badań naukowych oraz badawczo–rozwojowych na światowym poziomie. Projekt Narodowe Laboratorium Technologii Kwantowych jest współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, lata 2007-2013, Priorytet 2. Infrastruktura sfery B+R, Działanie 2.2 „Wsparcie tworzenia wspólnej infrastruktury badawczej jednostek naukowych”.

Źródło: NLTK