|
Az ELI látványterve
|
A szegedi ELI-projekt kapcsán politikusok és gazdasági szakemberek sokat nyilatkoztak, azonban magának a tényleges tudományos projektnek, a lézerekkel kapcsolatos tudnivalóknak jóval kisebb a publicitása. Cikkünkben Szabó Gábor akadémikusnak, az SZTE rektorának, valamint az SZTE Fizikus Tanszékcsoportjának segítségével a lézerekről és az ELI-ről gyűjtöttük csokorba a tudnivalókat.
„A sikeres kutatáshoz nem kell mindent tudnod.
Elég egyetlen dolgot, azt, ami korábban ismeretlen volt.”
A. Schawlow
A felfedezéstől a nappali szobáig
A lézer szó az angol LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – fényerősítés kényszerített fénykibocsátás útján) betűszóból ered. A lézer egy olyan fényforrás, amely indukált emissziót használ egybefüggő fénysugár létrehozására. Ekkor valamilyen gázt, folyadékot, vagy szilárd anyagot energia befektetésével gerjesztett állapotba hozunk.
Az atom alapállapotba való visszatérésekor a gerjesztett atomból egy foton repül ki és ennek a fotonnak pontosan akkora energiája van, mint amekkora energiakülönbség volt a gerjesztett és az alapállapotú atom között.Az anyagok elektromos kisülésekkel, kémiai úton, illetve fény- vagy egyéb elektromágneses impulzusokkal hozhatók gerjesztett állapotba.
|
Az első rubinlézer |
A kényszerített emisszió során keletkező erősödő fénynek négy alaptulajdonsága van: terjedési iránya, hullámhossza, rezgési fázisa és rezgési síkja azonos az erősítőbe belépő nyalábéval. Az eredmény egy tökéletesen rendezett nyaláb, amelyet koherens nyalábnak is szoktak nevezni.
A koherens nyaláb széttartása rendkívül kicsi. A Földtől közel 380 ezer km-re lévő Holdra juttatott lézernyaláb átmérője például alig lesz nagyobb, mint ötven méter. A nyaláb másik kedvező tulajdonsága, hogy a lézer energiája egy megfelelő lencsével nagyon kis foltra – nagyjából egy tízmilliomod mm2-re – is fókuszálható. A lézerek energiája kis térrészben koncentrálódik, ezért a lézerfény teljesítménysűrűsége a megszokott fényforrásokénak sokszorosa lehet.
A lézer múltja: „…nevetségesen egyszerű…”
|
Theodore Maiman |
A lézer létrejöttében nagy szerepe volt a II. világháborúnak, melyet a mondás szerint a radar nyert meg és az atombomba fejezett be. Ekkor a technikának már igen nagy és jelentős szerep jutott, a lézerkutatásnak pedig mintegy előszobája volt a Manhattan-projekt, ahol sok helyen, sok tudós munkálkodott egy azon cél érdekében. A 40-es évek végére a mikrohullámú területen nagy sikereket értek el, melyek további munkára ösztönözték a kutatókat. 1954-ben az USA-ban Townes, Gordon, Zeiger alkotta meg az első „maser”-t – mikrohullámok segítségével –, majd az optika felé fordult a fejlesztés. A működési elvet leíró első szabadalom Gould nevéhez fűződik, az ő jegyzetlapján olvasható először a „laser” szó. Sajnos – ironikus módon – 30 évig pereskedett szabadalmáért. De Moszkvában is sikeres kísérleteket folytattak, így tulajdonképpen csak a szerencsének köszönhető, hogy ki jelentette be elsőként a felfedezést.
A lézer több mint fél évszázados múltra tekint vissza, hiszen 1960. május 16-án az amerikai Theodore H. Maiman írta le először az általa megalkotott impulzus üzemű rubinlézer működését. Eleinte Maiman szomorú volt, hogy találmányát „halálsugárnak” nevezték, miután egy újságíró tévedésből a sci-fi felfedezéseként tette közzé.
„Nem tudok olyan esetet, amikor a lézer embert ölt volna, ráadásul véletlenül” – mondta később, miután módszere már széles körben elterjedt.
„Ennek ellenére több olyan embert is ismerek, akit lézerrel gyógyítottak meg.”
|
A laser első leírása
|
Maiman 1960. május 16-án, a kaliforniai Hughes Research Laboratory épületében – miután fogott egy villanólámpát, valamint egy rubinkristályt – kiáltotta azt, hogy „heuréka”, az eredményül kapott találmányt pedig „nevetségesen egyszerűnek” titulálta. A gyakorlatban ez úgy nézett ki, hogy a rubinrúd merőlegesre csiszolt végeit beezüstözte, és a rudat villanólámpával – közkeletűbb nevén vaku – gerjesztette. Azt vette észre, hogy a kibocsátott fény spektrumában az egyik vonal – szín – kierősödött, sokszorosára nőtt az intenzitása egy másik közeli vonalhoz képest. Ez a fizikusok számára már egyértelmű jele volt a ma már lézernek nevezett folyamatnak.
Ezt követően a kutatások felgyorsultak, a laboratóriumból „kilépett” a lézer. Arthur L. Schawlow rubinlézere, Peter Sorokin kalcium-fluor lézere után Javan W. Bennet megalkotta a hélium-neon lézert, mely az első közforgalmú lézernek is tekinthető.
A lézer jelene: a távirányítótól a lézervezérlésű bombáig
A laboratóriumok, kutatóintézetek mellett ma már az élet szinte minden szegletében találkozhatunk a lézerrel: a CD-lemezjátszótól, az áruházi vonalkód-leolvasóig, a rendőrségi sebességmérő kamerától, az internetvonalakig ott van mindennapjainkban, a boltokban és a raktározás során a vonalkód-leolvasókban is megtalálhatók. Az anyagmegmunkálás során 10 W teljesítményű ipari lézereket alkalmaznak, a haditechnikában lézeres irányítású bombákat használnak, de a bűnüldözésben sokszor a lézer segít szinte láthatatlan ujjlenyomatok felismerésében, vagy lézeres gázdetektor „elektronikus orr”-ként ismeri fel a szagnyomokat, az irodákban pedig lézernyomtatók dolgoznak.
Az orvostudományban manapság már természetesnek számítanak a lézerszikék, melyekkel akár egytized milliméteres pontossággal tudnak hajszálerekkel sűrűn ellátott szerveken is – agy, máj, szem – beavatkozásokat végezni, mert a pontosság mellett ezeket a vékony erecskéket a lézer hője le is zárja. A mikroelektronikában mindinkább tért hódít az alkalmazása, de az autóipar számos területén jelölnek, vágnak, hegesztenek vele.
A lézer jövője
A lézer ötven éves történetében viszonylag rövid utat tett meg a laboratóriumi asztaltól a nappali szobánkig, vagy épp az orvosi rendelőig. Maiman „halálsugara” az 1960-as években még megoldás volt egyes problémákra, de a mai kérdések már mások. A miniatürizálás a „nanovilág” felé mozgat bennünket, ahol a molekuláris elektronika vagy a számítástechnikai nanoszerkezetek csak a lézer megfelelő teljesítmény-sűrűségével válhatnak valóban működőképessé.
Az orvostudomány egyre újabb igényekkel lép fel, az ipar is mind
kifinomultabb, energiatakarékosabb megoldások felé törekszik. Számos
nagy kísérletet folytatnak már a fúziós energiaforrások területén, ahol a
lézer lehet a kulcs a jövő energiájához.
|
Az ELI látványterve |
„A legszebb amit átélhetünk, a dolgok titokzatossága.”
Albert Einstein
Minden határon túl
Szegedi szemmel nézve a nagyenergiájú lézer kutatási területe szinte karnyújtásnyira került. Bor Zsoltnak, az SZTE fizikus professzorának – a lézerfizika és a femtoszekundumos optika neves kutatójaként a piko- és femtoszekundumos lézer spektroszkópia tárgykörében született – felfedezései és Szabó Gábor akadémikus – a pikoszekundumos impulzusok előállítása területén végzett – munkássága alapozta meg az ELI -projektet, melynek egyik eleme városunkban fog megépülni.
A nagyenergiájú lézerkutatás valóban minden határon túl kíván lépni. Olyan lézerekkel kísérleteznek, melyek teljesítménye akár 1TW-os is lehet (1 terawatt = 1012W), ami egy atomerőműével vetekszik. Ráadásul ezt még igen kis pontra is be tudják sűríteni, elérve ezzel a 1018 W/cm2 teljesítménysűrűséget, akár az ólom százszoros sűrűségét meghaladva óriási nyomást és hőmérsékletet létrehozva.
Az atto-tudomány és azon túl
Ezek a hihetetlen energiák, hőmérsékletek és sűrűségek azonban csak néhány pillanatig figyelhetők meg, vizsgálatukhoz – Bor Zsolt professzor femtoszekundumos optika kutatásaival megalapozva – az attoszekundumok világába kell lépni. Ha egy rúdugrót például csak úgy tudunk megfigyelni, hogy csak azt látjuk, ahogy a rudat fogja, majd ezt követően már csak a matracon fekve, nem tudhatjuk, hogy átugrotta, vagy épp leverte-e a lécet.
A lézerkutatásokban egyre elengedhetetlenebb a gyors események és jelenségek minél részletesebb megfigyelése. Az attoszekundumos (10-18 s), azaz a másodperc billiomod részének milliomod része alatti vizsgálatokkal már olyan jelenségek is érdemben kutathatóak, melyek eddig rejtve maradtak a tudósok számára. Azt mondhatjuk tehát, hogy a kísérletileg érdekes időskálából még 9 nagyságrend „meghódítása” hátra van.
ELI, a lézerkutatás nagyágyúja
Az ELI-projekt egy rendkívül rövid impulzusidejű (attoszekundumos), a jelenleg létező legnagyobb lézernél nagyságrendekkel nagyobb teljesítménysűrűségű, rendkívüli tudományos jelentőségű kutató szuperlézer megépítését célozza összeurópai összefogással.Az ELI lesz a világon első olyan berendezés, mellyel a fény és az anyag kölcsönhatását a legnagyobb intenzitással, az úgynevezett ultra-relativisztikus tartományban lehet majd vizsgálni. Kaput nyit a fizika új területeire, és olyan új műszaki fejlesztéseket alapoz meg, mint a relativisztikus mikroelektronika és a kisméretű lézeres részecskegyorsítók. Az ELI jelentős hatást fog gyakorolni az anyagtudományok, a gyógyászat és a környezetvédelem számos területére is. Az Extreme Light Infrastructure Attosecond Light Pulse Source (ELI-ALPS) kutatási nagyberendezés elsődleges küldetése az, hogy a nemzetközi tudományos közösség felhasználói köre számára ultragyors fényforrások széles skáláját tegye elérhetővé.
A 2008 és 2010 közötti előkészítő szakaszban megvizsgálták az ELI építési körülményeit és az együttműködési feltételeket is kidolgozták. A kutatóközpontot eredetileg egy helyszínen tervezték megépíteni 2011-2014 között, mintegy 480 M€ összköltséggel, a jelentősebb bővítésig tervezett 20 éves üzemidő alatt üzemeltetési költségét évente mintegy 50 M€-ra tervezték.
Magyarországon iskolateremtő tradíciókkal megalapozott, nemzetközileg jegyzett lézeres kutatások folynak, melyek számos esetben hoztak világszínvonalú eredményeket. A mintegy 150 lézeres kutató intézményes együttműködésekkel is megalapozott, nemzetközileg jól beágyazott tudományos közösséget alkot.
A berendezés építési helyszínéért folyó versenyben Magyarországon kívül Csehország, Franciaország, Nagy-Britannia és Románia indult. Végül az előkészítő projekt vezetése 2010. október 1-én úgy döntött, hogy az ELI három helyszínen épüljön meg némileg eltérő, egymást kiegészítő tudományos programokkal:
- Csehországban, Prágában lézertechnológiai és lézeralkalmazási központ
- Magyarországon, Szegeden rövidimpulzusos lézertechnológiára és ennek alkalmazására koncentráló központ
- Romániában, Bukarest mellett fotonukleáris technológiára és ennek alkalmazásaira fektetik a hangsúlyt.
|
Az ELI látványterve |
Az ELI és a Szegedi Tudományegyetem
Szabó Gábor akadémikus, lézerfizikus, az SZTE rektora – akinek igen komoly szerepe volt abban, hogy az ELI egyik helyszíne Szeged lett – mind az ország, mind pedig a város és az egyetem szempontjából nézve is nagy jelentőségűnek látja a projektet.„Minden komoly lézerberendezés fejleszthető és fejlődő. A kiindulópontot kell nagyon pontosan megtervezni, ennek a pontnak kell olyannak lenni, hogy a világon egyedülálló kísérletekre adjon lehetőséget” – mondta el az ELI-projektről. „Miután megépül a központ, öt-tíz évig lesznek olyan kísérletek, amit csak Szegeden lehet majd elvégezni.”
Az ELI három helyszínén, így a szegediben sem kizárólag az alapkutatásokra helyeződik majd a hangsúly. Már a korai fázisban olyan vizsgálatokkal is foglalkoznak, melyek igen hamar bekerülhetnek az alkalmazott tudományba, s ezáltal a mindennapi életünkbe is. Így a szegedi berendezés is egyfajta „szerszámnak” is tekinthető, mellyel nagyon sokféle „munka” elvégezhető.
„Maga a központ nagyon sok szempontból alapkutatásokat fog végezni, de már a kezdetektől alkalmazott kutatások is lesznek az ELI-ben” – hangsúlyozta az SZTE rektora. „Azt kell világosan látni, hogy itt nem elsősorban a lézerfizikusok fognak kutatni, hanem a felhasználók, biológusok, orvosok, kémikusok is használni fogják. Ezeknek a kutatásoknak egy része már az elejétől fogva gyakorlati céllal fog megtörténni.”
De az ELI a megépülését követően nem csak a kutatóké lesz, hanem folyamatosan továbbfejlődik, hiszen újabb és újabb igények, felfedezések követelik majd meg ezt a folyamatot. Az egyetem számára pedig egyedülálló kutatási-képzési lehetőségként is fog szolgálni.
„A kísérletezés közben más lézerközpontokhoz hasonlóan továbbfejlesztés is folyik” – folytatta az akadémikus. „Mindig itt lesz egy néhány tucat emberből álló csapat, akik a berendezés további fejlesztésén dolgoznak majd. A szegedi Egyetem Fizika Tanszékcsoportja a jó értelembe vett kiszolgálásban és nem utolsó sorban pedig a szakemberképzésben tud nagyon komoly részt vállalni. Azt, hogy karnyújtásnyira van egy ilyen központ, nagyon jól ki lehet a képzésben használni, hiszen tudományos értelemben ugyanaz, mint amikor nyári gyakorlatra el lehetne küldeni az Egyesült Államok vezető kutatóhelyeire egy-egy hallgatót. Úgy gondolom, hogy Magyarország egyáltalán eséllyel tudott indulni a központ létesítéséért folyó versenyben, a magyar lézerfizika sikerének is tekinthető, és ebben a sikerben Szeged alapvető és meghatározó szerepet játszott.”
Forrás: