2014. július: jegyzet, portré, tudomány, egyetem, biotechnológia, lézer, disszemináció, it, logisztika, innováció, megújuló energia, urbanisztika

Az MTA Wigner FK Szilárdtestfizikai és Optikai Intézete a magyarországi ELI-ALPS programban

A magyarországi ELI program (a szegedi „szuperlézer”, ELI-ALPS: Extreme Light Infrastructure – Attosecond Light Pulse Source) egy 13 ország összefogásával megvalósult EU FP7 előkészítő programmal (ELI-PP: Preparatory Phase) indult, amelyben a magyar részvételt az MTA Szilárdtestfizikai és Optikai Kutató­intézete (SZFKI) koordinálta.


A 13 országból álló nemzetközi konzorcium nagyra értékelte az extrém szuper-rövid lézerimpulzusok előállítása terén az SZFKI-ban elért, világviszonylatban is új eredményeket. Ezek közé tartozik az attoszekundumos impulzusok keltésének felvetése és elméleti kidolgozása (1 as = 10–18 s), a femtoszekundumos csörpölt lézertükrök kifejlesztése, a nagy in­ten­zitású fény-anyag kölcsönhatási folyamatok kutatása, új eljárások kidolgozása az optikai méréstechnika, a nemlineáris optika és a kvantumoptika területén stb., valamint a Szegedi Tudományegyetemen végzett lézerkutatások és fejlesztések. Ez az elismerés, amelyhez az SZFKI mellett a Szegedi Tudományegyetem is hozzájárult, egyebek között abban nyilvánult meg, hogy az ELI-PP helyszínválasztási bizottságának döntése alapján az ELI egyik alappillérét jelentő kutatási infrastruktúra – az attoszekundumos nagyberendezés – hazánkban épül meg. A helyszínpályázaton öt ország vett részt, közülük Magyarország, Csehország és Románia kapta meg a jogot a különböző célokat szolgáló lézeres nagyberendezések megépítésére.

A tiszta térbe épített hELIos laboratórium a Wigner FK-ban

A lézerek fejlesztése és a fény-anyag kölcsönhatás tanulmányozása terén az SZFKI jogelődjében (a KFKI-ban) már az 1960-as évek elejétől színvonalas kutatások folytak – erre egy példa az 1963-ban megépült első magyar lézer, amelyet egy sor, különleges tulajdonságokkal rendelkező új lézer követett (például az első magyar He-Cd [hélium-kadmium] lézer – kék és ultraibolyában, a világon az első rézgőz lézer, az első He-Kr [hélium-kripton], He-Ne-Xe [hélium-neon-xenon] lézer, ultraibolya Ne-Ag [neon-ezüst] ion lézer, amely ma is a világon a leg­rövidebb hullámhosszon működő folytonos üzemmódú lézer). Fontosak voltak még a sokfotonos és az ún. erős-tér jelenségek kutatása terén elért eredmények, továbbá az ezeken alapuló több tucat szabadalom, nemzetközi konferenciákon tartott meghívott előadások, valamint több mint egy tucat konzorciális nemzetközi programban való részvétel.

Az SZFKI már az EU FP4-től kezdve rendszeresen részt vett nagy nemzetközi együttműködésekben, az EU FP5 keretén belül elnyerte az EU Centre of Excellence címet, az EU FP7 ATTOFEL és Laserlab Europe projektek társult partnere és az XFEL tagja lett, valamint az Euratom programokba is bekapcsolódott. Az ilyen együttműködéseket szakmai eredmények alapozták meg; az elmúlt évtizedekben itt több olyan lézer és lézeres berendezés épült, amelyek valamilyen szempontból a világ élvonalába tartoztak. Több, az SZFKI-hoz kapcsolódó vagy innen kinőtt ipari spin-off cég (pl. az Optilab Kft., az R&D Ultrafast Lasers Kft., a Technoorg-Linda Kft., az Envitech Kft. és mások) honosított meg olyan technológiákat és méréstechnikai eljárásokat, amelyekkel piacképes termékeket (különböző lézereket, optikai vékonyrétegeket, lézeres berendezéseket és mérőeszközöket) állítottak és állítanak elő. Ezek közül néhány már több évtizedes múltra tekint vissza, középvállalattá nőtte ki magát, és most is sikeresen működik, számos országba exportálva csúcsminőségű termékeket.

Az ELI-ALPS program az ELI egyik legérdekesebb és legaktuálisabb, sokat ígérő programja. Koncepciója bizonyos mértékig magyarországi kezdeményezésre vezethető vissza. Ezt igazoló eredményeink az 1960-as évektől a mai attoszekundumos, extrém intenzitású impulzusokig és új kvantumelektrodinamikai ún. erős-tér folyamatok elméleti felvetéséig és első kísérleti igazolásáig terjednek. E jelenségek egy részét – nemzetközileg is elismerten – elsőként a KFKI-ban igazolták már az 1960–1980-as években (Farkas Győző és csoportja). Az ismertetett eredmények lényegében elektronok és fotonok új típusú emissziójának kezdeti feltárásához kapcsolódtak, köztük az attoszekundumos impulzusok keltésének alapját jelentő ún. magasrendű felharmonikuskeltéssel. Ezek nemzetközi tökéletesítése után született meg a magyarországi felismerés és javaslat az attoszekundumos fényimpulzusok és attoszekundumos elektron­impulzusok létrehozásának elvére.

Az SZFKI-ban megrendezett három ELI szimpózium, amelyeken a körülbelül százfős hazai lézeres közösség bemutatta a programhoz kapcsolódó eredményeit, további lökést adott a téma fejlődésének. A szegedi helyszínre – a központi régió kizárása, valamint a Szege­di Tudományegyetemen folyó korábbi lézeres kutatások és az ott elért eredmények mellett – azért is esett a választás, mert ott állt rendelkezésre egy olyan nagyméretű állami tulajdonú terület (egy volt szovjet katonai laktanya és gyakorlótér, amely részben a város, részben az egyetem kezelése alá tartozott), amit fel tudtak ajánlani a létesítmény helyszínéül. Egy ilyen épület megépítéséhez sokféle előkészítő munkát kellett elvégezni, komoly feladatnak bizonyult a volt szovjet gyakorlótér talajának megtisztítása, az épületek tervezésénél a talaj­viszonyok figyelembevétele (talajmechanikai okok miatt az épületeknél speciális cölöpös alapozásra van szükség). Ezek után, 2014. február 6-án, ünnepélyes keretek között megtörtént az alapkőletétel.

Az időközben megalakult ELI-HU Nonprofit Kft. hatékony támogatásán kívül, a programra való felkészülés céljából a NIH kiírta a hELIos nevű, a felkészülést elősegítő pályázatot, amelyben két projektet nyert el a Szegedi Tudományegyetem és a Pécsi Tudományegyetem, egyet pedig az SZFKI–RMKI–Optilab–BME–AEKI konzorcium. Az SZFKI-ban elnyert projekt (koordinátor – Czitrovszky Aladár), amelyhez később az MTA-tól is sikerült támogatást kapni – olyan új lézeres berendezések, módszerek, mérési technikák és technológiák kifejlesztésére és megépítésére irányult, amelyek közvetlenül kapcsolódnak az ELI nagyberendezés megtervezéséhez és kimunkálásához. Ezek a témakörök az új lézerrendszerek létrehozásától és az azokkal kelthető attoszekundumos forrásoktól, az optikai méréstechnikán, a vékonyréteg-technológián, a szuperintenzív lézerterekben lejátszódó folyamatok elméleti modellezésén keresztül az adatfeldolgozásig számos területet fognak össze. A fentieket több új ELI-laboratórium létrehozásával valósítottuk meg, ezenkívül figyelmet fordítunk a szakemberek oktatására és célirányos képzésére is.

A roncsolásmérő berendezés egy része

A hELIos pályázat lezárásával a létrehozott laboratóriumok tovább fejlődtek, ebben a témakörben jelenleg több mint 40 kutató és mérnök dolgozik. A kutatómunka főbb irányait egyeztették az ELI nemzetközi szakembereivel, több téma nemzetközi együttműködéssel folyik olyan neves intézetekkel, mint a garchingi Max Planck Kvantumoptikai Intézet, a müncheni Max Planck Fizikai Intézet, a Bécsi Egyetem stb. A projektekbe igyekszünk bevonni a hazai vállalkozásokat is, így például az Optilab Kft.-t, a LASRAM-ot, az Ultrafast Research and Development Kft.-t és másokat.
Mivel ebben a cikkben nincs módunk felsorolni minden eredményt, csak néhány fontosabbat emelünk ki, amelyeket már részben publikáltunk magas impakt faktorú nemzetközi folyóiratokban vagy könyvfejezetekben (Physical Review, Nano Letters stb.), részben most vannak publikálás alatt.

Az egyik fontos eredmény a Femto- és Attoszekundumos Lézerlaboratórium létrehozása.
A pályázati támogatásból – az SZFKI és az RMKI, saját erőforrásait is felhasználva – egy egyedülálló lézerlaboratóriumot hoztunk létre, amely kapcsolódik az ELI fő kutatási irányaihoz és az ELI megépítése előtt több évvel egy komplex kísérleti, teszt- és oktatólaboratóriumot biztosít világszínvonalú femto- és attoszekundumos kísérletekhez.
A laboratórium fő fényforrása egy ~30 femtoszekundumos, 1 kilohertzes ismétlési frekvenciájú erősített titán-zafír lézer, > 4 megajoule-os impulzusenergiával.
Az erősítő alapját jelentő lézeroszcillátorként saját fejlesztésű lézerünket használtuk fel, amely stabilan 12 femtoszekundumos impulzushosszat biztosít 80 megahertzes ismétlési frekvenciával. Ehhez az oszcillátorhoz integráltunk egy titán-zafír erősítőt és az ahhoz kapcsolódó pumpáló lézert. Mivel az így megvalósított lézerrendszer az impulzusenergia kivételével sok paraméterében (impulzushossz, központi hullámhossz, ismétlési frekvencia) hasonlít a szegedi létesítménynél tervezetthez, ezért az ELI működtetése során lejátszódó jelenségek jelentős része kis méretben itt is modellezhetővé válik. Ezt a lézert sokoldalúan, több kísérleti munkaállomás segítségével az ELI-hez kapcsolódó vizsgálatokhoz, az ottani tevékenységhez kapcsolódó attoszekundumos előkísérletekhez, illetve optikai elemek teszteléséhez tudjuk felhasználni. A lézer már önmagában is megfelelő paraméterekkel rendelkezik ahhoz, hogy gázokban magasrendű felharmonikusokat, vagyis attoszekundumos impulzusokat keltsünk, amit meg is valósítottunk. Ilyen kísérleteket főleg argon, neon és kripton gázokon végeztünk. Ennek a berendezésnek ezenkívül a másik célja az alapkutatásokban a harmonikuskeltés alternatív módszereinek vizsgálata. Ezek a kutatások arra kívánnak választ adni, hogy lehetséges-e az ELI-hez mérten még igen kis energiával is felharmonikusokat, illetve attoszekundumos impulzusokat kelteni olyan új targeteken, mint a klaszterek, vagy a térerősséget megnövelni felületi plazmonok segítségével. A berendezés így nem csupán arra ad lehetőséget, hogy a fiatal kutatók megtanulják az egyes attoszekundumos impulzusok előállításának módszereit, hanem új módszereket találhatnak azok kis méretben történő előállítására is.

A titán-zafír lézerrendszer új lehetőséget ad nemcsak a nagy intenzitások, hanem a hideg atomok vizsgálataihoz is – például az atomi mozgás koherens manipulációjára erős térben, ultrarövid frekvenciamodulált lézerimpulzusokkal. A különlegesen homogén rubidium-plazma előállítása a protonokkal előállítható részecskegyorsításnál játszik fontos szerepet. Ezen a téren együttműködést építettünk ki a müncheni Max Planck Fizikai Intézettel (Allen Cadwell, Patric Muggli), melynek keretében a CERN által jóváhagyott újfajta részecskegyorsítási módszerek kidolgozásában is részt veszünk. Egy parametrikus erősítővel is kibővítettük a lézerrendszert, amely lehetőséget ad Vankó György ERC csoportjának nagy időbeli felbontású pumpa-próba kísérletek elvégezésére. Ezeket a kutatásokat az MTA külön is elismerte a Dombi Péternek megítélt Lendület pályázat támogatásával, amely egy erre irányuló kutatócsoport létrehozását tette lehetővé.

A lézererősítő optomechanikai elemei

Egy következő eredmény a hELIos méréstechnikai minősítő laboratórium létrehozása, amely interferometrikus felületvizsgálatra, vibrációelemzésre, fényszórásvizsgálatra, roncsolási küszöb mérésére és optikai alkatrészek minősítésére irányul. Itt részben beszerzett, részben továbbfejlesztett és az általunk megépített műszerekkel olyan laboratóriumot sikerült létrehozni, amelyben a legmagasabb követelmények szerint interferometrikus eljárással tudunk minősíteni nagyméretű optikai alkatrészeket és felületeket, különleges optikai rétegeket – a fény hullámhosszának századrészénél is jobb – 0,3 nanométeres vertikális (a felületre merőleges) felbontással, ami különösen akkor fontos, ha ezeket az alkatrészeket nagy teljesítményű lézerekbe építik. Egy általunk fejlesztett berendezéssel ezeknek az alkatrészeknek a fényszórását és annak térbeli eloszlását is tudjuk vizsgálni nagy dinamikai tartományban – ezzel a kismértékű belső optikai inhomogenitásokat lehet felderíteni. A méréstechnikai és minősítő laboratórium feladatai közé tartozik a különleges lézertükrök roncsolási küszöbe és a diszperziós tulajdonságai közötti összefüggés vizsgálata.

A következő témakör az optikai vékonyrétegek fejlesztése, amelyben a KFKI-nak nagy hagyományai vannak (itt készült a világon az első csörpölt lézertükör, amellyel a világ legrövidebb fény­impulzusait lehetett előállítani). Az ultrarövid, ezen belül az 5 fem­to­­­­szekundumnál rövidebb, nagy energiájú lézerimpulzusok, illetve az ezekkel nyerhető attoszekundumos fényimpulzusok előállítására alkalmas lézerek megépítéséhez a jelenleg alkalmazottaknál lényegesen jobb minőségű lézertükrök, osztótükrök, polarizátorok és más optikai elemek előállítására alkalmas technológiákra van szükség. Az SZFKI, az Optilab Kft., a Bécsi Műszaki Egyetem (TU Wien) és a Femto­lasers GmbH együttműködésének keretében sikerült hozzávetőleg 100 milliméteres átmérőig növelni a különlegesen polírozott optikai hordozók méretét. Az ultrarövid, nagy energiájú lézerimpulzusok, illetve az ezekkel nyerhető attoszekundumos fényimpulzusok előállításának egyik legfontosabb technológiai eleme a megfelelően tervezett, ultraszélessávú, adott diszperziós tulajdonságokkal rendelkező lézertükrök megfelelő átmérőjű hordozókon történő előállítása. A közeljövőben ilyeneket is szeretnénk előállítani. Ezeknek az eredményeknek a hasznosítására együttműködés van kibontakozóban a most épülő romániai ELI-NP és a csehországi ELI-Beamline nagy­berendezések szakembereivel.•

 
Archívum
 2011  2012  2013  2014  2015  2016  2017  2018

Innotéka