Co dokážou lasery?
29. 9. 2010
S Michaelem vstupujeme do podivuhodného mikrosvěta křehkých a tenoučkých vláken, vznikajících metodou tažení z rozžhavené tyče neuvěřitelně čistého skla. V ohromném zvětšení si prohlédneme podivné složení tohoto skla, které dává konečným útvarům – vláknovým laserům, jedinečné vlastnosti. Michael se stává univerzálním technologem, který pomocí nich dokáže řezat i svařovat kovové pláty, za chvíli se mění na detektiva, který pomocí vláknového laseru vypátrá přítomnost uhlovodíků v životním prostředí, s týmž mikrovláknem se ponořuje do hlubin lidského těla nebo sledujeme proces polymerace chemických látek. Pomocí vláknového laseru přenese na dálku bleskově ohromné množství dat, aby nakonec změřil nepředstavitelně kratičký úsek času – pikosekundy.
Tereza: Tady vidíte dva výjimečné objevy naší technické civilizace – laser a optické vlákno. Oba jsou dokonalým příkladem naší schopnosti pozorovat přírodu a inspirovat se z ní. Zároveň jsou ovšem ukázkou lidského důvtipu.
Filip: Sakra, ten internet je zase zasekanej.
Tereza: Laser. Právě před padesáti lety jej objevili Američan Townes a sovětští fyzici
Prochorov a Basov. Dostali za něj Nobelovu cenu.
Tereza: Další Nobelovku za práce na optických vláknech získal čínský fyzik Charles Kuen Kao.
Filip: Já jsem ti říkal, že se s tím připojením musí něco udělat. Je to skandálně pomalý.
Tereza: No, klasické kovové kabely už na to nestačí. Je potřeba s tím něco udělat. Co třeba použít světlo?
Filip: Vést světlo v kouscích skla …
Tereza: … ovšem jen pro dekoraci …
Filip: … dovedli už ve starém Egyptě a Mezopotámii.
Tereza: Jacques Babinet a John Tyndall už v polovině 19. století zkoušeli vést světlo v proudu vody.
Filip: Světlo vedla i voda fontán na světové výstavě v Paříži roku 1889 a hned na to i v Praze.
Tereza: To, co dokázali naši předkové před čtyřmi tisíci lety, my dnes dokážeme taky. Ovšem …
Filip: … máme plastovou láhev.
Tereza: Do láhve kousek nad dnem opatrně uděláme otvor o průměru několika milimetrů.
Filip: Láhev naplníme vodou. Světlo svítilny namíříme přímo proti otvoru.
Tereza: Díky úplnému vnitřnímu odrazu vede vytékající voda světlo „za roh“. Vidíte tu světlou stopu?
Filip: Rok 1880. Graham Bell si patentuje optický telefon – fotofon. Jenže špinavý vzduch zvláště ve městech optické spojení nedovolil.
Tereza: Rok 1920. První pokusy o přenos obrazu pomocí krátkých skleněných tyčinek.
Filip: Světlo však uniká stěnami a na spojích ven.
Tereza: V tomto experimentu si názorně ukážeme, jak je potřeba vést světlo tak, aby nám neutíkalo ze skla.
Filip: Sklo nám v tomto případě nahrazuje voda.
Tereza: Tedy – voda je sklo. To sklo, které ji drží, je tady jenom proto, aby drželo vodu, která je „sklo“.
Filip: No, abych to zjednodušil, ještě tam nalijeme mléko.
Tereza: Mléko vytvoří z průzračné vody matnou tekutinu. Lépe tak uvidíme paprsek laserového ukazovátka.
Filip: Svítíme shora do vody. Světlo prochází z řidšího vzduchu do hustší vody, proto se láme ke kolmici, směřuje ke dnu.
Tereza: Když však svítíme zespodu k hladině, světlo se pod určitým úhlem začne zcela odrážet a zůstává ve vodě. To je základ šíření paprsků vlákny.
Filip: Už jste se někdy zkoušeli podívat přes tabulku obyčejného skla? Ale ne takhle, ale tahle. No, uvidíte velké zelené „nic“. To proto, že obsahuje spoustu příměsí, není prostě čisté. Ale teď si představte, že byste měli tabulku skla, tlustou sto kilometrů. Ale přesto byste viděli z jednoho konce na druhý krásný, průzračný obraz. No, to ale vyžaduje superčistý materiál.
Filip: Jenže vyčistit sklářský písek prostě nejde. Ale čistit můžeme kapaliny a plyny. Tož destilaci u nás na Moravě velmi dobře známe. Na zdraví. A právě takovou mnohastupňovou destilací prošel i náš chlorid křemičitý, což je také výchozí surovina pro naše superčisté sklo.
Tereza: Superčistý chlorid křemičitý se jako plyn přivádí do trubice z křemenného skla. V ní reaguje s kyslíkem. Vznikají vločky oxidu křemičitého – základ pro budoucí vlákna.
Filip: Při teplotě asi 2100 °C se trubice s naneseným i vrstvami stáhne do tyče. Vznikla preforma – základ, z něhož se vyrobí optické vlákno.
Tereza: Jde tu skutečně o extrémní čistotu. Jediný cizí atom na miliardu vlastních. Jako kdyby jen šest lidí se něčím lišilo od zbývajících šesti miliard celého lidstva.
Filip: Jak se z tyče, zvané preforma, vyrobí jen asi půl milimetru tenké vlákno, dlouhé mnoho kilometrů? Dolní konec svisle upevněné preformy se nechá roztavit a díky gravitaci svou vlastní váhou zvolna klesá dolů do přízemí.
Tereza: Tomuto dvě patra vysokému zařízení se říká tažička. Roztavené vlákno se na ní doslova táhne a dole navíjí na připravenou cívku. Cestou vlákno prochází vaničkou s polymerem, který po polymeraci teplem nebo ultrafialovými paprsky vytvoří na povrchu vlákna tenký obal.
Filip: Tak se z křehkého vlákna stane vlákno pružné a ohebné.
Tereza: Jsme na severním okraji Prahy, v Kobylisích.
Filip: Tady mám zhruba 30 km optického vlákna. Ale jak teď tímto vláknem poslat informaci? Obraz, zvuk nebo dokonce film? To chce opravdu velmi rychlý signál. Musí to být digitálně – to jsou jedničky a nuly. To je jako když zhasínám a rozsvěcím tuto lampičku. Ale film nebo obraz se musí přenášet opravdu velmi rychlým pulsem. A velmi intenzivním, aby dosáhl až na konec toho kapelu. Na to jsou právě dobré lasery.
Tereza: Srdcem každého laseru je aktivní prostředí – pevná látka, kapalina nebo plyn, které po dodání energie vyzáří fotony v úzkém paprsku, na jediné vlnové délce. Velmi zajímavé jsou miniaturní lasery polovodičové.
Filip: A právě polovodičové lasery jsou těmi pravými pro optické komunikace. Ale kde na tom stole tady jsou?
Ing. Miroslav Karásek, DrSc., oddělení vlnovodné fotoniky, ÚFE AV ČR: Tady na tom stole máme ještě dva speciální lasery, které slouží ke generování 10 Gigabitů. Tady vám mohu ukázat, jak vypadá signál 10 Gigabitů.
Tereza: Touto sestavou se testuje přenos tímto 80 kilometrů dlouhým vláknem. Testovací signál se ovšem přenáší rychlostí 107 Gigabitů za sekundu.
Filip: Vstoupili jsme do laboratoře času. Tady je Státní etalon času. Nejpřesnější u nás.
Filip: A čím je měříte?
Ing. Alexander Kuna, vedoucí oddělení času a frekvence, ÚFE AV ČR: Vytváříme národní časovou stupnici, to znamená přesný čas v České republice pomocí průmyslových cesiových svazkových hodin. Jsou to tzv. atomové hodiny.
Filip: A jak ty atomové hodiny vypadají?
Ing. Alexander Kuna, vedoucí oddělení času a frekvence, ÚFE AV ČR: Tak se podívejte.
Tereza: Tato laboratoř například dovede měřit vlastnosti krystalových oscilátorů s největší přesností na světě.
Filip: V oblasti komunikace je potřeba signál zesílit. To jsme se už dozvěděli. To mají na starosti vláknové zesilovače, které tvoří, jak jsem se dočetl, aktivní vlákno. Ale co to aktivní vlákno je a jaké má další využití?
Dr. Ing. Pavel Honzátko, vedoucí oddělení vlnovodné fotoniky, ÚFE AV ČR: Aktivní vlákno je vlákno, které na první pohled vypadá jako jakékoli jiné obyčejné vlákno. To vlákno, které držím v ruce, má v jádře ionty vzácných zemin, v daném případě erbium. A podobná vlákna používáme např. při stavbě vláknových zesilovačů nebo vláknových laserů.
Tereza: Zeleně zářící vláknový laser teď vidíte. Jeho pulzy jsou krátké jen 270 femtosekund.
Filip: Vláknové lasery a zesilovače se stanou daleko rychlejšími zdroji pulzů pro optické spoje zítřka, …
Tereza: … pro ještě přesnější optické hodiny budoucnosti …
Filip: … anebo superrychlé optické počítače.
Tereza: Všude kolem nás je neuvěřitelné množství informací.
Filip: Potřebujeme je co nejrychleji zpracovat a přenést.
Tereza: Elektronika je na pokraji svých možností.
Filip: Jedinou cestou kupředu jsou optické komunikace …
Oba: … a světlo.
Autoři: Vladimír Kunz, Michael Londesborough