Dívka a laser

Vytvořit silný laserový svazek, ale současně nepoškodit zařízení, ve kterém vzniká – to je hlavním úkolem Denisy Štěpánkové v laboratořích laserového centra HiLASE v Dolních Břežanech. Denisa se do prestižního výzkumného centra poprvé dostala už ve druhém ročníku studia na Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT v Praze. Dnes se zde v rámci doktorského studia zabývá vývojem kilowattového pikosekundového laserového zesilovače. O vysokovýkonné lasery mají velký zájem průmyslové firmy.

Návštěvník si v laserových laboratořích připadá pomalu jako na vesmírné misi. Kromě nezbytného respirátoru se totiž musí navléknout do kombinézy, přes hlavu přehodit kuklu, na boty dát návleky, pak projít přes lepivou rohožku a skrz vzduchovou sprchu a nakonec ještě nasadit masivní zelené brýle. Takových kosmonautů se po laboratořích pohybuje několik a zdálky vypadají jeden jako druhý. Práce se světlem je poměrně tichá. „Hluk vydávají pouze chladiče, samotný laser je velmi tichý. Jen někdy může být slyšet hlasitější zvuk, když laserové světlo interaguje s materiálem,“ popisuje Denisa šumy, které lze v laboratoři slyšet.

Kontinuální a pulzní lasery

Lasery se v průmyslové výrobě využívají čím dál více. Kontinuální lasery nejvíce pro řezání a sváření. Práce s nimi je nejen přesnější, ale také rychlejší a ekologičtější než práce s mechanickými nástroji. Pulzní lasery pak slouží pro dokonalé opracování materiálů. „Laser umožňuje velmi přesné cílení a rychlou aplikaci, takže nedochází k natavení materiálu, které opracovaný vzorek znehodnocuje,“ vysvětluje Denisa. Problémem vysokovýkonných laserových pulzů je právě jejich vysoká energie. Vysoký špičkový výkon krátkých pulzů by vedl k destrukci použitých optických komponent včetně  laserového krystalu samého.

Denisa a její kolegové pracují na zesilovači

Jednou z metod zesilování paprsku, kterou lze předcházet poškození optiky, je takzvaná metoda CPA („Chirped pulse amplification“– česky se překládá jako technika „zesilování čerpovaných pulzů"; „chirp“ = cvrlikání, cvrkot). Pulz se nejprve časově prodlužuje disperzním optickým systémem při zachování šířky optického spektra pulzu tak, aby jeho špičkový výkon po zesílení byl nižší než prahy poškození optických prvků. Následně se jednotlivé části pulzu, zpravidla pomocí krystalů, zesílí a stlačí na původní délku soustavou s opačnou disperzí (v tzv. kompresoru) a opět poskládají dohromady. „Právě kompresor pulzů je moje práce, kterou se zabývám už od bakalářského studia,“ říká Denisa.

Denisa porovnává dvě možnosti komprese pulzů. Při první je použita tzv. čerpovaná objemová braggovská mřížka (CVBG), což je kvádr skla, který má uvnitř zapsanou mřížku, jež je schopna pulz zkrátit. Druhá varianta spoléhá na difrakční mřížku. „Důležitá je nejenom délka komprimovaného pulzu, ale také výsledná kvalita svazku. S difrakční mřížkou jsme schopni dostat kvalitní svazek, což je žádané v následném aplikačním využití. CVBG má problém s tepelným namáháním skla laserovým svazkem, takže vzniká problém, jak jej účinně chladit a potlačit nežádoucí vlivy teploty na výstupní svazek,“ popisuje těžkosti Denisa. Difrakční mřížka naopak vyžaduje precizní nastavení.

„V naší laboratoři jde o prototypový vývoj laserů. Cílem je vyvinout zařízení s vlastnostmi na míru pro danou aplikaci. K tomu přispívají právě naše poznatky ze stavby prototypů. Poptávka ze strany průmyslu je čím dál větší, protože firmy vidí, jak jim laser ve výrobě pomáhá,“ uzavírá Denisa.

Vítězství v soutěži diplomových prací

Výzkum přinesl Denise na konci roku 2020 první místo v sedmém ročníku ceny Crytur. (Společnost Crytur, s. r.o., ve spolupráci s portálem Careermarket.cz pořádá tradičně soutěž o nejlepší diplomovou práci v materiálových vědách.) Získala ho za práci nazvanou Optimalizace časových parametrů a tvarování pulzů vysokovýkonného pikosekundového laserového systému, kterou vypracovala v HiLASE pod vedením školitele Martina Smrže.

Medailonek: Ing. Denisa Štěpánková

Denisa se už od studia na gymnáziu chtěla zabývat fyzikou. Poté, co v rámci Dne otevřených dveří navštívila Fakultu jadernou a fyzikálně inženýrskou, už měla jasno i o tom, kde bude pokračovat ve studiu. „Má vize byla jasná – nechci prosedět život u obrazovky počítače. S lasery trávím spoustu času v laboratoři a jedná se o velmi různorodou práci,“ uvádí důvod, který ji ke studiu laserů přivedl. Přitom sama přiznává, že před nástupem na Jaderku o laserech mnoho nevěděla.

Jan Kadeřábek