Tną diamenty i… rogówkę oka. Polacy stworzyli supermocne lasery w oparciu o rozwiązania noblistów

W październiku Komitet Noblowski ogłosił, że połowa Nagrody Nobla z fizyki trafi do Gerarda Mourou i Donny Strickland. Zostali oni nagrodzeni „za metodę tworzenia ultrakrótkich impulsów optycznych o dużym natężeniu”. Mourou i Strickland pokazali, jak wytwarzać niezwykle krótkie impulsy lasera o ekstremalnie dużej mocy (tzw. technika CPA).

Z badań noblistów skorzystali polscy naukowcy. W ramach spółki Fluence wytwarzają jedyne dotąd polskie lasery femtosekundowe udoskonalone według swojego pomysłu. „Nasze lasery są kompaktowe, tańsze niż lasery na Zachodzie i nie potrzebują serwisowania. Nasz laser ma być tak wygodny w użyciu, jak wskaźnik laserowy – kiedy włączymy mu zasilanie, ma działać. To było niewyobrażalne jeszcze 10 lat temu. Wtedy nie było jeszcze laserów femtosekundowych, które nie wymagałyby opieki specjalisty” – opowiada w rozmowie z PAP dr Michał Nejbauer współzałożyciel firmy Fluence. Na prace związane z polskim laserem femtosekundowym firma Fluence otrzymała grant z Narodowego Centrum Badań i Rozwoju wart ponad 9 mln zł.

A lasery femtosekundowe to nie są tak proste urządzenia jak lasery stosowane jako wskaźniki. Laser femtosekundowy może wytworzyć ogromną moc chwilową – w niektórych przypadkach nawet milion razy większą niż największa elektrownia w Polsce. A jest to możliwe, bo moc ta wytworzona jest w bardzo, bardzo krótkim czasie – rzędu kilkunastu femtosekund (jedna sekunda to aż milion miliardów femtosekund).

„Widzimy dla naszych laserów duży potencjał zastosowań. Największym rynkiem jest tzw. precyzyjna mikroobróbka laserowa” – mówi dr Nejbauer. Jak wyjaśnia, kiedy materiał naświetla się superkrótkimi impulsami laserowymi zamiast ciągłym światłem lasera, zniszczenia dookoła naświetlanego miejsca są praktycznie żadne. Materia w kontakcie z tak ogromną mocą gwałtownie wyparowuje. „Dzięki laserom femtosekundowym potrafimy ciąć bardzo trudne materiały jak ceramikę, diamenty, szkło hartowane i to z bardzo wysoką precyzją w skali mikro ” – opowiada naukowiec.

Zastosowanie laserów w operacjach wzroku

Lasery femtosekundowe mogą przecinać jednak nie tylko materiały bardzo twarde, ale i również bardzo delikatne. Dlatego są stosowane w operacjach korekcyjnych wzroku. „Podczas operacji rogówki laser femtosekundowy robi o wiele mniejsze spustoszenie w przecinanej tkance niż innego typu lasery. Jest nie tylko bardziej precyzyjny, ale też oko szybciej wraca do zdrowia” – mówi dr Nejbauer.

Polskie lasery znajdują też zastosowanie w mikroobróbce materiałowej – m.in. w strukturyzowaniu powierzchni. Jak wskazuje rozmówca PAP, za pomocą samego naświetlania laserem można zmieniać właściwości powierzchni danego materiału, uzyskać np. powierzchnie hydrofobowe lub hydrofilowe czy odbijające światło o zadanych długościach fal. „To nowa fizyka. Tam się dzieją rzeczy, które naukowcy wciąż badają” – zwrócił uwagę dr Nejbauer.

Lasery femtosekundowe znajdują też zastosowanie w obrazowaniu biomedycznym. „To tzw. mikroskopia wielofotonowa. Dzięki mikroskopii wielofotonowej możemy zobaczyć więcej szczegółów w badanych tkankach niż w tradycyjnej mikroskopii fluorescencyjnej” – mówi rozmówca PAP.

Naukowcy korzystają też z laserów femtosekundowych, aby podglądać reakcje chemiczne. A one przebiegają bardzo, bardzo szybko. Dzięki tak krótkim impulsom lasera reakcje te można podglądać na gorącym uczynku. To tzw. spektroskopia femtosekundowa, nagrodzona Nagrodą Nobla z chemii w 1999 roku.

„Lasery femtosekundowe długo uchodziły za wrażliwe na warunki zewnętrzne, np. drgania i temperaturę. W przemyśle długo nie mogły znaleźć zastosowań, bo były zbyt drogie w serwisowaniu. Drobne perturbacje powodowały, że laser się psuł” – mówi dr Nejbauer. Wyjaśnia, że przy tworzeniu pierwszej generacji laserów femtosekundowych konieczne były klasyczne elementy optyczne takie jak np. zwierciadła, kryształy i soczewki. „A nasze lasery produkujemy w technologii całkowicie światłowodowej przez to urządzenie ma mniejsze szanse, aby ulec awarii. To duża przewaga w stosunku do wcześniejszych rozwiązań” – opowiada.

Polska konstrukcja jest tańsza i mniejsza

Dzięki polskiej konstrukcji, laser femtosekundowy jest też tańszy w produkcji i zajmuje mniej miejsca. Dr Nejbauer wyjaśnia, że zaprojektowany przez Fluence oscylator femtosekundowy jest jednym z najmniejszych na świecie laserów femtosekundowych emitujących światło na długości fali 1030 nm. „Nasz najmniejszy laser femtosekundowy jest wielkości kartki A5 i wysokości ok. 3 cm” – opowiada naukowiec. Dodaje jednak, że lasery o większych mocach są większe. Np. takie o mocy rzędu kilkudziesięciu watów zajmują już połowę biurka.

„Gdyby nie rozwiązanie zaproponowane przez noblistów w 1985 roku, opracowanie naszych laserów nie byłoby możliwe” – podsumowuje naukowiec.

Nobliści pokazali, jak można wzmacniać impulsy femtosekundowe nie niszcząc po drodze elementów optycznych mimo tego, że moc szczytowa urządzenia jest bardzo wysoka. Technika ta polega na rozciągnięciu w czasie impulsu laserowego po to, aby zmniejszyć jego moc chwilową, następnie wzmocnieniu, a na końcu „ściśnięciu” impulsu do swojego pierwotnego czasu trwania.

Źródło: Serwis Nauka w Polsce – www.naukawpolsce.pap.pl, Autor: Ludwika Tomala
Fot. pixabay.com