Lietuva – lazerių šalis. Šis teiginys ne tik nuskamba Lietuvą pristatančiuose vaizdo įrašuose ar pasaulinių parodų kontekste, bet ir atsispindi čia veikiančių įmonių veikloje. Ne taip lengva būtų rasti mokslinę laboratoriją, kurioje nebūtų lietuviško lazerio.
„2023 m. Nobelio premijos fizikos srityje laureatė Anne L‘Huillier kartu su kolegomis Ferencu Krauszu ir Pierre’u Agostini buvo apdovanoti už sukurtus eksperimentinius metodus, kuriais generuojami atosekundiniai šviesos impulsai, skirti elektronų dinamikai medžiagoje tirti. Šiuos atosekundinius impulsus mokslininkai išgavo naudodami mūsų sukurtus lazerius. Lietuvos mokslininkų sukurtų lazerių panaudojimas aukščiausio lygio moksliniuose tyrimuose dar kartą įrodo Lietuvos lazerių kokybę ir plėtojamų mokslinių tyrimų svarbą“, – džiaugiasi Vilniaus universiteto (VU) Fizikos fakulteto Lazerinių tyrimų centro vyriausiasis mokslo darbuotojas dr. Arūnas Varanavičius.
Su mokslininku kalbamės apie priežastis, lėmusias lazerių mokslo atsiradimą VU, femtosekundinių ir atosekundinių lazerių subtilybes ir panaudojimo galimybes, mokslo ir verslo bendradarbiavimo svarbą.
Nuo akademinių uždavinių iki komercinių produktų
Dar 1992 m. VU mokslininkų prof. Algio Petro Piskarsko, prof. Audriaus Dubiečio ir Bordo universiteto (Prancūzija) mokslininko dr. Gedimino Jonušausko pasiūlyta ir pademonstruota čirpuotų impulsų parametrinio stiprinimo (angl. Optical parametric chirped-pulse amplification – OPCPA) metodika yra šiuo metu jau plačiai taikomas intensyvių lazerinių impulsų gavimo būdas. Tačiau ilgą laiką parametrinio čirpuotų impulsų stiprinimo koncepcija buvo tik akademinis pasiekimas.
„Maždaug apie 2005 m. Lietuvos lazerinių technologijų įmonėse „Šviesos konversija“ ir „Ekspla“ buvo sukurti naujo tipo išskirtinių parametrų lazeriai. VU Lazerinių tyrimų centre kilo idėja sujungti šiose įmonėse gaminamus lazerius ir sukurti patikimą kompaktišką lazerinį šaltinį, kuris galėtų generuoti trumpus, kelių femtosekundžių trukmės impulsus“, – prisimena mokslininkas.
Nuo nedrąsių eksperimentų bandant sujungti kelių įmonių lazerius į vieną sistemą viskas išsirutuliojo iki gan plačios mokslinių tyrimų tematikos.
„Jau pradiniame mūsų tyrimų etape įmonės visapusiškai rėmė mūsų darbus, vykdytus VU Lazerinių tyrimų centre. Vėliau įmonės įsitraukė į šiuos darbus, panaudodamos savo mokslinį, inžinerinį, taip pat ir finansinį potencialą. Tai mums leido sukurti lazerį, kuris pasižymi įvairiapuse išskirtinių parametrų kombinacija. Vienu metu tai buvo didžiausios vidutinės galios kelių optinių ciklų lazeris pasaulyje“, – prisimena mokslininkas.
Šio tūkstantmečio uždavinys – atosekundinės sistemos
Tam, kad geriau suprastume VU mokslininkų kuriamų femtosekundinių lazerių subtilybes, pirmiausia derėtų įsisąmoninti femtosekundės ir atosekundės dydžius.
„Femtosekundė yra milijoną kartų trumpesnis laiko tarpas nei mikrosekundė. O mikrosekundė yra dar milijoną kartų trumpesnė nei sekundė. Palyginkime: per vieną sekundę šviesa gali apskrieti Žemę apie septynis kartus, o per femtosekundę šviesa nusklinda vos mikrono dalį. Tuo tarpu atosekundė yra dar tūkstantį kartų trumpesnė nei femtosekundė. Atosekundiniai signalai yra patys trumpiausi žmonių suformuoti signalai, o patikimos sistemos, generuojančios atosekundinės trukmės impulsus, yra vienas svarbiausių lazerių mokslo uždavinių šiandien“, – pristato tyrėjas.
Šiandien VU Lazerinių tyrimų centre kuriami femtosekundiniai lazeriai, kuriuos naudojant ir pritaikant specialius netiesinės optikos metodus galima generuoti atosekundinius impulsus.
„Lazeriai, kuriuos mes kuriame, nėra atosekundiniai, bet jais sukuriami femtosekundžių trukmės optiniai impulsai. Naudojant kaupinimo šaltinius ir aukštųjų harmonikų generacijos metodą, spinduliuotė perkeliama į gilaus ultravioleto ar rengeno diapazoną ir ten jau atsiranda galimybė formuoti atosekundinius impulsus“, – pasakoja dr. A. Varanavičius.
Femtosekundiniai lazeriai iš pradžių buvo dideli ir sudėtingi įrenginiai, kuriuos valdyti reikėjo tyrėjų su mokslų daktaro laipsniu. Šiandien tai yra lagamino dydžio prietaisai, kurių valdymą studentai įsisąmonina per kelias darbo dienas.
„Atosekundinių lazerių kūrimą galima palyginti su kosmoso ir planetų tyrinėjimu. Mes galime net nesvajoti apie keliones į Mėnulį ar Marsą tol, kol neišeisime į Žemės orbitą, o norint pakelti kosminį laivą į Žemės orbitą, reikalinga raketa nešėja. Grįžtant prie lazerių pavyzdžio, mūsų kuriami femtosekundiniai lazeriai, galima sakyti, ir yra tos „raketos nešėjos“, kurios gali leisti mokslininkams pereiti į atosekundinių impulsų generacijos diapazoną“, – sako pašnekovas.
Atosekundiniai lazeriai šiandien jau yra naudojami tiriant virsmus atomuose ir molekulėse. Šie procesai yra ypač greiti, tad juos tiriant reikalingi itin trumpų impulsų lazeriai.
„Tikimės, kad netolimoje ateityje iš atosekundinių lazerių duomenų mes galėsime projektuoti 4D matmenų įrašus, kuriuose bus trys erdvės matmenys ir vienas laiko matmuo. Juose galėsime aiškiai matyti, kaip vyksta molekulių transformacijos. Atosekundiniai rentgeno diapazono impulsai labai reikalingi biologiniuose tyrimuose ir dėl čia egzistuojančio „vandens lango“. Yra nustatyta, kad 2–4 nanometrų ilgio šviesos neabsorbuoja vanduo, tad turėdami labai trumpus lazerio impulsus galime tirti tai, kas vyksta biologinių objektų molekulėje“, – sako mokslininkas.
Lietuviški lazeriai padeda atlikti aukšto lygio mokslinius tyrimus
Ekstremalios šviesos infrastruktūra (angl. Extreme Light Infrastructure – ELI) yra gerai žinomo CERN analogas, tik darbai čia atliekami ne atominės fizikos, bet lazerių srityje. Šią infrastruktūrą sudaro trys dideli centrai Čekijoje, Vengrijoje ir Rumunijoje.
„Šiuose centruose sukaupti vieni iš geriausių pasaulio lazerių, kurių paskirtis – tarpdalykinis bendradarbiavimas. Tai yra atviros prieigos centrai, į kuriuos bet kurios srities mokslininkas, turėdamas gerą idėją ir žinodamas, kad tam reikia itin aukštos galios lazerių, gali kreiptis ir gauti prieigą“, – pasakoja tyrėjas.
Šiandien jau net trys VU ir Lietuvos lazerių įmonių mokslininkų sukurti itin trumpų impulsų lazeriai veikia ELI centre. Tai yra gana kompaktiškai įrenginiai, telpantys į eilinio dydžio laboratoriją ir sukurti taip, kad jais naudotis galėtų ne tik fizikai.
„Man tikrai kelia pasididžiavimą Lietuvos mokslininkų talentas ir gebėjimas kurti tokio aukšto lygio produkciją. Tai leidžia Lietuvai prisidėti prie lazerių plėtros visame pasaulyje. Kurdami lazerius mes stengiamės užtikrinti, kad jie būti naudingi kitų sričių mokslininkams, o juos valdyti būtų lengva ne tik fizikams, bet ir kitų sričių specialistams“, – sako dr. A. Varanavičius.
Dr. Arūnas Varanavičius. Asmeninio archyvo nuotr.
Lazerių ateitis – valdomos branduolinės reakcijos ir kokybiškesnis vėžio gydymas
1992 m. prof. A. P. Piskarskas teigė, kad čirpuotų impulsų parametrinio stiprinimo technologija mums gali pasiūlyti teravatinės galios impulsus, o šiuo metu jau turime tūkstantį kartų galingesnius – petavatų galios lazerius. Tokie lazeriai ne tik gali būti taikomi tolesniems fundamentiniams moksliniams tyrimams, bet ir atliepia ekologijos, energetikos, medicinos ir kitų sričių poreikius.
„Viena iš galimų aukštos galios ir spartos lazerių pritaikymo sričių – branduolinės sintezės eksperimentai. Livermoro laboratorijoje (angl. Lawrence Livermore National Laboratory – LLNL) mokslininkai jau kurį laiką bando rasti būdus, kaip lazeriais valdyti termobranduolines reakcijas. Praėjusių metų pabaigoje sulaukėme gerų žinių, kad tyrimų rezultatai daug žadantys ir šioje srityje judame į priekį“, – pasakoja mokslininkas.
Aukštos galios lazeriai galėtų būti naudojami ir subatominėms dalelėms greitinti. Jau šiandien turime skaičiavimų, kad, panaudojant didelės galios lazerius, galima pasiekti aukštus greitinimo parametrus. Tad subatominiai dalelių greitintuvai, kurių matmenys šiandien kartais siekia ir kilometrus, gali sumažėti iki laboratorijos dydžio.
„Tai atveria visai naujas galimybes šioje srityje. Greitintuvai naudojami kryptingų įgreitintų dalelių srautams generuoti, o visa tai gali būti pritaikyta vėžio terapijoje. Šiandien atliekami bandymai, kai žmonės, sergantys onkologinėmis ligomis, vedami prie greitintuvo, kur dalis jo spinduliuotės nukreipiama į pažeistą organą. Pavykus įsisavinti mažų greitintuvų gamybą, tokia įranga galėtų tapti medicininių įstaigų standartine įranga“, – pastebi dr. A. Varanavičius.
2018 m. Nobelio premijos laureatas Gerard’as Mourou iškėlė idėją, kad aukštos galios lazeriai gali būti panaudoti ir cheminių elementų transmutacijos eksperimentuose.
„Šių eksperimentų rezultatai yra daug žadantys, nes tai yra būdas branduolinėms atliekoms nukenksminti. Branduolines atliekas paveikus lazerine spinduliuote, jos gali būti paverstos nekenksmingais elementais. Žinoma, moksliniai tyrimai šioje srityje dar tik įsibėgėja, bet pastangų skiriama labai daug“, – sako mokslininkas.
Lietuvos sėkmės istorija: asmenybės, darni ekosistema ir tinkamai nukreiptos lėšos
Dr. A. Varanavičius džiaugiasi galėdamas stebėti lazerininkų ekosistemos vystymąsi Lietuvoje kone nuo pačios pradžios. Pasak jo, labai svarbus vaidmuo čia teko asmenybėms.
„Mes turėjome prof. A. P. Piskarską, kuris, grįžęs iš mokslų Maskvoje, Vilniaus universitete įkūrė lazerių mokyklą. Jam pavyko surasti ir pritraukti tikrai talentingus jaunus mokslininkus, kurių dalis tęsė akademinę karjerą, o kiti paliko universitetą ir įkūrė lazerių gamybos įmones. Smagu, kad visa Lietuvos lazerininkų bendruomenė glaudų ryšį palaiko iki šiol“, – sako pašnekovas.
Dr. A. Varanavičiui dar studijuojant lazerių fiziką, tikrai netrūko jaunų ir entuziastingų specialistų, dirbančių šioje srityje. Tad nieko keisto, kad tuo metu buvo įvykdyta aibė prioritetinių lazerių fizikos tyrimų, turėjusių vertę ne tik tuometinėje Sovietų Sąjungoje, bet ir visame pasaulyje.
„Svarbus vaidmuo tenka ir prieš maždaug 30 metų susikūrusioms pirmosioms Lietuvos lazerių įmonėms. Tai paskatino jaunus inžinerinės pakraipos žmones studijuoti fiziką, nes jie žinojo, kad, baigę šios krypties studijas universitete, turės įdomų darbą, galės pakeliauti po visą pasaulį diegdami lazerines sistemas ir gaus konkurencingą atlyginimą“, – sako mokslininkas.
Akstinu vystytis lazerių sričiai tapo palankus institucijų požiūris. Valdžios institucijos inicijavo projektų kvietimus ir suteikė progą gauti lėšų brangiems moksliniams tyrimams.
„Džiugu, kad tuo metu valdžios institucijos įvertino lazerių srities potencialą ir skyrė finansavimą tikrai brangiems mūsų tyrimams. Žinoma, vėliau dalyvavome ir tarptautiniuose projektuose, tapome „LaserLab Europe“ tinklo, vienijančios šio srities mokslininkus visoje Europoje, nariais. Tai leido megzti partnerystes su mokslininkais iš kitų universitetų ir prisidėjo garsinant Vilniaus universitetą visame pasaulyje“, – sako dr. A. Varanavičius.
Dr. A. Varanavičius pripažįsta, kad, nepaisant tarp universiteto ir įmonių atsirandančios konkurencijos dėl gabiausių studentų, svarbiausia, kad jaunieji specialistai rinktųsi juos dominantį kelią.
„Iš dalies susiduriame su problema, kad gabiausi studentai nelieka universitete ir tarsi neužsitikriname pamainos sau. Kita vertus, lazerių mokslas nelieka nuošalyje, nes Lietuvos lazerių įmonės jau yra labai sustiprėjusios ir turi savo mokslinius padalinius. Jose dirba daug mokslo daktarų, kuriems sukurtos sąlygos ir toliau vykdyti mokslinius tyrimus. Žinoma, tokie tyrimai įmonėse yra labiau taikomojo pobūdžio, nes per trumpą laiką reikia sukurti veikiantį produktą. Universitetai šiuo požiūriu yra laisvesni ir rizikos laipsnis čia yra didesnis“, – teigia dr. A. Varanavičius.
Prof. Jūras Banys. E. Kurausko nuotr.
