První světelné udělátko sestavil v roce 1960 americký fyzik Theodore Harold Maiman. Od té doby pronikly lasery snad do všech oblastí vědy, průmyslu, zbrojení, medicíny i kosmetiky. Prostě všude. Co ale takový laser technicky vlastně je? V hodně zjednodušené formě jde o zařízení, které dokáže vysílat (fyzikální hantýrkou: emitovat) elektromagnetické záření (rozuměj světlo) v ucelený paprsek (fyzikálně řečeno: v proud fotonů se shodnou fází, směrem šíření a vlnovou délkou). O tom, že laser patří mezi hodně vysokou vědu, která je ale zároveň dostupná téměř komukoliv (i kočkám) v různých barvách a velikostech, svědčí i skutečnost, že se při jeho konstrukci využívá zákonů kvantové mechaniky a termodynamiky. Za laserové vychytávky byla dokonce v roce 2018 udělena Nobelovka za fyziku, a to Arthuru Ashkinovi za vývoj optických pinzet a Gérardovi Mourou s Donnou Stricklandovou za metodu generování velmi intenzivních ultrakrátkých optických pulzů.
Vzhůru za lasery!
Laserové centrum ELI Beamlines mívá své dveře poměrně často otevřené i pro veřejnost. Takže pokud vás už omrzely hrady, zámky, hospoda i kostel, a chcete si třeba pohladit laser, nebo s ním mít alespoň selfíčko, vemte to hopem do Dolních Břežan.
Česko, domov super-laserů
Jen kousek od Prahy v hi-tech vesnici Dolní Břežany sídlí hned dvě laserová výzkumná centra světově proslulá výzkumem světelných paprsků. Jedná se o centrum HiLASE, které se soustřeďuje na vývoj unikátních nových laserů, a o centrum ELI Beamlines, ve kterém se momentálně pracuje na spuštění nejintenzivnějšího laserového systému na světě. Obě vrcholná pracoviště české vědy ve vesničce navazují na dlouholetou tradici výzkumu laserů v Česku. "Československo bylo na začátku 60. let hned po USA a Sovětském svazu třetí zemí, která postavila vlastní funkční laser a vývoji laserových systémů se systematicky věnuje od 80. let až do současnosti," popisuje české zkušenosti s vývojem laserů Zdislava Lojdová, která má v ELI Beamlines na starosti komunikaci s okolním světem.
Od roku 2018 pracují vědci a vědkyně v ELI Beamlines na spuštění nejvyspělejšího laserového systému na světě. Mega laser, stojící rovnou ve dvou velkých halách, nese jméno L4. Pokud si výzkum žádá pořádnou energetickou dávku, zvládne systém L4 generovat výkon až 10 petawattů, čímž jen tak mimochodem na velmi krátkou dobu předčí jakoukoliv jadernou elektrárnu na světě.
Výjimečnost laserového systému potvrzuje i Zdislava Lojdová: "Laser L4 je technologicky nejvyspělejším výkonovým laserovým systémem na světě. Zvládne poskytovat výstupní pulsy s četností až jedenkrát za minutu, což je nejméně třicetkrát více, než je potenciál srovnatelných výkonových laserů existujících v několika málo světových výzkumných centrech."
Očekávaný ultravysoký výkon 10 PW (1 petawatt = 1 000 000 000 000 000 wattů, normální varná konvice ve vaší kuchyni má 1800 wattů ) umožní vědcům v laserovém centru stát se průkopníky v úplně nových možnostech výzkumu, a to včetně simulace podmínek na jiných planetách. "Pomocí L4 zvládneme v laboratoři zkoumat extrémní fyzikální jevy, třeba simulovat a zkoumat prostředí uvnitř obřích planet, jako jsou Jupiter, Saturn, Uran a Neptun. Laser se bude využívat i k výzkumu fyziky plazmatu a dějů uvnitř hvězd. Kromě toho je možné část výkonu super-laseru přeměnit v rentgenový paprsek, kterým pak budeme moct extrémní prostředí - laboratorní hvězdu/planetu - přímo pozorovat, a to s velkým časovým a prostorovým rozlišením," vypočítává ty nejzajímavější možnosti výzkumu Zdislava Lojdová. A obyčejnému smrtelníkovi tak zbývá jen doufat, že se bádání nad lasery netransformuje do podoby pověstné Hvězdy smrti ze Star Wars.
Proti rakovině, na pomoc klimatu
Pigmentové skvrny, akné, šedý zákal, odstranění nádorů, křečových žil, ale i nechtěného tetování a hemeroidů. To je jen malý výčet toho, do čeho všeho se za pár desítek let své existence stihly lasery v boji za lepší zdraví zapojit. Světelné zdroje totiž mají z lékařského hlediska velmi specifické výhody - laser je vysoce sterilní, je přesný a dokáže vaporizovat (tedy doslova nechat zmizet) poškozenou tkáň. Možnosti zapojení "světelných" metod do zdravotnictví se navíc neustále narůstají. Mezi aktuální trendy v užívání laserů patří medicínské zobrazování, laserem buzené urychlování částic pro nové lékařské metody i diagnostika vnitřní stavby buněk. Ani centrum ELI Beamlines v medicínském výzkumu nezaostává - badatelé tu používají experimentální zařízení ELIMAIA. "Díky němu budeme moct provádět předklinický výzkum při budoucí léčbě rakoviny, třeba ozařování biologických vzorků krátkými svazky protonů či iontů, urychlených laserovým systémem L3-HAPLS," popisuje možnosti experimentů v léčbě rakoviny Lojdová.
Lasery by svými schopnostmi mohly kromě mediků oslnit i Gretu Thunberg a hnutí #Fridaysforfuture. Současná touha mladé generace po zelené energetice dostává do popředí hořkosladkou problematiku jaderných elektráren. Ty sice nevypouštějí do atmosféry CO2 a další nechtěné a zdraví nebezpečné částice, jejich největší problémovost ale spočívá ve vytváření radioaktivního odpadu. Podle webu Správy úložišť radioaktivních odpadů se "smetí" z jaderných elektráren může rozpadat od dvanácti (např. izotop vodíku 3H) až po 4,5 miliardy let (např. uran 238U). Již zmíněny nobelista a obecně guru hi-tech laserových technologií Gérard Mourou ale vyvíjí laserovou technologii, která by vehnala slzu do oka i panu Burnsovi - rozpad radioaktivního odpadu by totiž jednou měla podstatně urychlit. "Chceme přeměnit jaderný odpad, protože jaderná energie je pro budoucnost nejlepším kandidátem. Jenže po sobě nechává nebezpečný odpad, takže je na čase začít dělat záchodovou vědu a pořádně po sobě uklidit," řekl Mourou ve své nobelovské přednášce.
Proces, kterým chce Mourou a jeho kolegové radioaktivní "smetí" uklidit , se označuje jako transmutace. V podstatě jde o to, že radioaktivní částice se přemění na méně radioaktivní, případně na částice, které radioaktivitu ztratí úplně. Aby k takové přeměně došlo, musí se vymyslet a postavit extrémně výkonný laserový systém, který by dokázal nukleární odpad v rychlém sledu "bombardovat" částicemi. Takový útok by následně snížil vyzařování odpadní radioaktivity ze stovek a tisíců let na dny, případně hodiny. "Taková technologie není daleko. A může v tom pomoci třeba ELI Beamlines," uvedl vědec v jednom z nedávných dílů pořadu HydePark Civilizace.
Zvládnou tisknout kovy nebo řídit auta
Obdobně jako v medicíně, i v průmyslu vynikají laserové technologie pro svou přesnost a rychlost řezání i pro čistotu a kvalitu řezu (lidská ruka už prostě není, co bývala v minulém století). Světelné zdroje si tak pohotově nařežou kde co (trubky, plechy, dřevo, plast, prostě proti laseru žádný dišputát), posvařují, co je potřeba, a dokonce zvládnou i (mikro)obrábění gravírování. Pro ilustraci laserové přesnosti při gravírování, si stačí představit hlavičku sirky. Zatímco rukou byste sirku minimálně nalomili, laser na ní vypálí cokoli, aniž by se rozlomila nebo vznítila.
S lasery se ale v průmyslu počítá i pro tisk kovových součástek, případně rovnou celých automobilových karoserií. 3D tiskárny na kov se ještě před nedávnem pohybovaly spíš ve snech všech nerdů, geeků a lasermaniaků, pokrok v technologiích kovového tisku umožnily mimo jiné výzkumná centra jako ELI Beamlines. "Vývoj laserových systémů pro ELI Beamlines nepřímo významně pomáhá technologickým firmám s vývojem vysoko-výkonových laserů pro 3D tisk kovů litografickou cestou (litografie je metoda, která vytváří 3D modely za využití 2D metod, tedy nanášením vrstvy po vrstvě, pozn. red.). Podobné systémy, které vznikly pro nás jako čerpací lasery, se používají v průmyslu, mimo jiné při litografickém 3D tisku kovů." popisuje Lojdová. Při takovém 3D tisku taví laserový paprsek prášek z kovů, ten se pak postupně mění na potřebný model či prototyp výrobku. Inu jak prosté, milý Watsone, stačí laser a kovy můžeme tisknout do dřív nepředstavitelných tvarů i forem.
Díky laserům dokážou vidět i moderní auta, přičemž tahle schopnost se hodí obzvlášt těm samořiditelným. Auto dostane na střechu zařízení (tzv. LiDAR), které neustále vysílá několik tisíc laserových pulzů. Jejich zpětný odraz umožní měřit vzdálenosti různých objektů na základě výpočtu doby šíření pulsu (a to třeba i pod vodou). Palubní počítač pak z odrazů od různých objektů, třeba okolo jedoucích aut, pobíhajících krav, dětí a vůbec všeho, co na cestě můžete potkat, vyhodnocuje možná rizika a snaží se vyvarovat nechtěným srážkám. LiDAR technologie ale využijí taky archeologové k mapování terénu, a zvládne měřit i vlastnosti atmosférických jevů.
Lasery jako zbraň
Nejenom kočičky mají rády světelnou zábavu, často na ní ujíždí i lidé. V roce 2008 spustili organizátoři venkovního rave večírku nedaleko Moskvy laserovou show. Technici ale podcenili výkon zařízení a o několik dní později ruské úřady potvrdily dvanáct případů slepoty způsobené … laserem. A některým dalším účastníkům rave párty lékaři diagnostikovali až osmdesátiprocentní ztrátu schopnosti vidět.
Nešťastné použití laserové technologie během večírku vysvětluje nasazení světelných paprsků ve zbrojním průmyslu. Lasery totiž představují taktické výhody - vyzařovaný paprsek se pohybuje rychlostí světla, zvládneme ho velmi přesně zaměřit na cíl a zároveň regulovat i energetický výkon. Laserové zbraně tak můžou nepřítele z masa a kostí buďto trvale oslepit, nebo ho dočasně dezorientovat (pro klid v duši, zbraně se schopností oslepit člověka už zakázal Protokol OSN). Pokud jde o nepřátele ze železa a oceli, dokážou extrémně výkonné lasery, takticky rozmístěné třeba na letadlových lodích kolem pobřeží, svým paprskem sestřelit malé letadlo, drona a v budoucnosti nejspíš i potopit jinou letadlovou loď. Do vývoje evropské verze laserové obrany se zapojila i Česká republika skrze Ústav fotoniky a elektroniky Akademie věd ČR, konkrétně jde o projekt TALOS. Ústav fotoniky a elektroniky v něm hraje roli koordinátora vývoje thuliového laseru a zároveň vyvíjí thuliové optické vlákno. Hotový laserový efektor by měly mít evropské armády připravené k integraci do svého arzenálu v roce 2025.
