Šviesolaidiniai lazeriai žada proveržį aukštosioms technologijoms

Kasmet į Lietuvą iš Ann Arboro (Mičigano valstija, JAV) atvykstantis, kartais ir po kelis kartus, prof. Almantas Galvanauskas misionieriumi nesijaučia. Tvirtina, kad iš Lietuvos niekada ir nebuvo išvažiavęs, nes dirbti mūsų laikais žmogus gali bet kur, bet labai svarbu, kur jaučia esant įaugusias savo šaknis. Štai Almantas dirba 1817 m. įkurtame Mičigano universitete, kuris nuo 1837 m. yra Ann Arbore (The University of Michigan), vadovauja tyrėjų grupei (Electrical engineering and computer science department, Center for ultrafast optical science), kuriančiai šviesolaidinius lazerius, bet jo šaknys – Lietuvoje. Gimtojoje šalyje apsilanko vos ne kasmet, lankėsi ir 2006-aisiais. 2006-ųjų gegužės 12 d. kaip kviestinis lektorius ir vienas žinomiausių pasaulyje šviesolaidinių lazerių specialistų perskaitė paskaitą Šviesolaidinių lazerių technologijos Europos Sąjungos finansuojamo ir Lietuvos Vyriausybės remiamo kuriamo Nacionalinio lazerių mokslo ir technologijų centro darbuotojams. Vilniuje laiką naudingai leido megzdamas glaudesnius ryšius su mūsų šalies lazerių bendrovėmis, Fizikos instituto, Vilniaus universiteto lazerių fizikos specialistais.

Apsilankė ir Mokslo Lietuvos redakcijoje dr. Vidimanto Kabelkos pastangų dėka. Jeigu kalbėtume apie misijas, tai tikru ir nuoširdžiu lazerių mokslo propaguotoju bent jau Mokslo Lietuvai yra būtent Vidimantas. Matyt, veikia genai: jo tėvas buvo darbštus ir Lietuvoje daugeliui gerai žinomas kalbininkas Jonas Kabelka (1914–1986). Ir nors sūnus pasirinko fiziko kelią, bet rašytinio ir spausdinto žodžio vertės suvokimo, kuriuo pasižymi Vidimantas, galėtume palinkėti ir kitiems mokslo dirvonų plėšėjams, ne vien fizikams.

Bet grįžkime prie Almanto Galvanausko. Kaip sakėme, lietuvis vadovauja tyrėjų grupei, kuriančiai šviesolaidinius lazerius. Almantas šventai įsitikinęs, kad šviesolaidinius lazerius jau šiandien galime vadinti lazerių ateities technologija. Emocionalusis Vidimantas net gatavas pašokti nuo kėdės ir pamiršęs visas geras literatūrinio kalbėjimo normas, prie kurio vaikystėje ir jaunystėje jį pratino kalbininkas tėvas, tuojau pat abejoti neleidžiančiu balsu užtikrino, kad šviesolaidiniai lazeriai – tai tikras lazerių mokslo ir technikos „topas“, kone paskutinis ir neginčijamas proveržis, į kurį dabar sutelktas didžiausių pasaulyje lazerių taikymo technologijų ir telekomunikacijos bendrovių išskirtinis dėmesys.

Pamėginsime tuos įdomius dalykus išaiškinti, savo pasakojimą orientuodami ne tiek į fizikus, kurie visa tai daug kvalifikuočiau ir giliau patys išdėstytų, bet į tokį laikraščio skaitytoją, kuris tiesioginio ryšio su lazeriais ir šios srities technologijomis neturi, mokslo ir technikos naujovėms nėra abejingas.

Trys lazerių technologijų postūmiai

Lazerių technologijose galėtume išskirti tris labai reikšmingus postūmius, įvykusius per kelis pastaruosius dešimtmečius, į kuriuos vis dar krypsta tyrėjų akys. Sukūrus puslaidininkių lazerius, jie buvo panaudoti kaip naujos kartos kaupinimo šaltiniai, kurie tradicinių kietojo kūno lazerių kaupinimo našumą leido padidinti nuo kelių iki dešimčių procentų. Tai buvo pirmas labai efektyvus postūmis. Antrą ir ne mažesnį technologinį perversmą padarė šviesolaidiniai lazeriai. Jei dar prieš keletą dešimtmečių kas būtų pasakęs, kad iš šimto mikrometrų skersmens skaidulos pavyktų gauti kelis šimtus vatų galios koherentiškos spinduliuotės, tai būtų pavadintas nepataisomu svajokliu ir gal dar išjuoktas. Bet dabar tai įgyvendinta ir tuo neapsiribojama.

Trečias lazerių technologijų šuolis sietinas su trumpesnių spektro bangų ilgių lazerinių diodų spinduliavimo įsisavinimu. Šiuo metu yra įsisavinti ir pramoniniu būdu gaminami mėlynosios šviesos lazeriniai diodai, kuriuos naudojant informacijos laikmenose įrašymo tankį pavyksta padidinti dešimtis kartų. Pastebėsime, kad laboratorijose yra sukurti dar trumpesnėje – ultravioletinėje spektro srityje spinduliuojantys lazeriniai diodai.

Šiame rašinyje kalbėsime daugiausia apie šviesolaidinius lazerius, nes tai yra Almanto Galvanausko mokslinių ir technologinių interesų sritis. Pradėsime nuo vaizdingo pasakymo, kad šiuolaikinės telekomunikacijos pagrįstos vadinamaisiais „fiberiais“, t. y. šviesolaidžiais, kai ryšio signalas perduodamas jau ne varinių laidų kabeliais, bet stiklu, tiksliau stiklo skaidulomis. Šių optinių stiklinių skaidulų skiriamoji geba labai didelė, be to ši technologija pasižymi ir kitais pranašumais.

Šviesolaidžių technologijas pradėjus taikyti telekomunikacijų reikmėms, ėmė rastis ir „glazeriai“. Terminas sudurtas iš angl. Glass – stiklas ir Laser – lazeris. Aktyvias medžiagas – retųjų žemių elementus (erbį, terbį ir kt.), įvedus į stiklo šerdį pavyko sukurti visiškai naujo tipo šviesolaidžių šerdis, iš kurių pradėti montuoti visai naujo tipo rezonatoriai ir stiprintuvai.

Daug kas tradiciškai lazerį ligi šiol supranta kaip tam tikros terpės (kieto kūno, dujų, skysčių) įrenginį, kuris generuoja šviesos spindulį, o šis veidrodžiais ir kitais optiniais įtaisais nukreipiamas, valdomas ir t. t. Tačiau pritaikius šviesolaidžius lazerių technologijos buvo kilstelėtos visai į naują konceptualų lygmenį. Visai kitaip dabar vertinamos ir šviesolaidinės technologijos. Jeigu seniau „fiberiai“, t. y. optinės skaidulos, daugiausia buvo taikomos ryšių (telekomunikacijų) srityje, tai pradėjus naudoti „glazerius“ jau turime teisę kalbėti apie kokybinį technologinį šuolį, naujų taikymo sričių, tokių kaip medicina, pramonė, karyba įsisavinimą. A. Galvanauskas tą šuolį linkęs palyginti su perėjimu nuo vakuuminių lempų prie tranzistorių, nuo erdvinių technologijų prie kietakūnių elektronikoje. Kaip ir kiekviena analogija, taip ir ši truputį „šlubuoja“, fizikai čia mus tikriausiai gerokai patikslintų, bet darbo priemonių efektyvumo, lankstumo ir kompaktiškumo prasme padarytas didžiulis šuolis ir tam pakako dešimtmečio.

Kompaktiškumo ir lankstumo tai technologijai pakako ir prieš dešimtį metų, bet stigo galios. Vargu ar labai daug tada buvo optimistų, kurie būtų nuoširdžiai tikėję, kad ta nauja technologija galės taip greitai išaugti galios prasme. Per pastaruosius porą metų padėtis visiškai pasikeitė ir toliau sparčiai keičiasi.

Prieš dešimtmetį šviesolaidiniai lazeriai generuodavo dešimtis, geriausiu atveju šimtus milivatų galios, o dabar jau pasiekiama dešimtys kilovatų. Technologiniais šviesolaidiniais lazeriais pjaustomi ir virinami metalai, plastmasės ir kitos medžiagos, jie pritaikomi ir subtilesniems tikslams, kuriems taip pat reikia didelės galios spindulio. A. Galvanauskas kalba net apie visai įmanomą ultravioleto spindulių panaudojimo galimybę šio tipo lazeriuose. Apskritai to pritaikymo galimybių yra daug ir labai įvairių, tačiau A. Galvanauskas siūlo atkreipti dėmesį į pačią galios evoliuciją, kuri jau savaime yra labai įdomi.

Prisiminkime šviesolaidžių evoliuciją

Prisiminkime šviesolaidžių evoliuciją. Jie buvo sukurti prieš gerą šimtą metų. Buvo pasinaudota visišku vidinio atspindžio principu, ir tie pirmieji šviesolaidžiai pirmiausia buvo pritaikyti fontanų apšvietimui. Tik vėliau panaudoti medicinoje – endoskopijoje. Taikant šviesolaidžius galima pasiekti, gauti informaciją ir paveikti įvairius žmogaus kūno vidaus organus. Tai jau buvo didelis laimėjimas.

O kada šviesolaidžiai pradėti taikyti telekomunikacijose? Praėjusio amžiaus septintajame dešimtmetyje tokių mėginimų būta, tačiau tolesnius darbus stabdė tai, kad tie šviesolaidžiai buvo labai netobuli. Tik 8-ajame dešimtmetyje juos pavyko iš esmės patobulinti. Tas tobulinimas vyko dviem svarbiausiomis kryptimis: siekiant šviesolaidžiams naudojamo stiklo grynumo ir kuriant labai mažas stiklo šerdis, kuriomis galėtų sklisti praktiškai viena spindulio moda, t. y. tam tikros erdvinės sandaros bangų laukas. Faktiškai tai buvo apribotų spindulių šviesolaidžiai. Be to pats šviesolaidis tapo lazerinio spindulio sužadinimo terpe. Mūsų įprastas langų stiklas šviesolaidžių požiūriu būtų nepaprastai „purvina“ medžiaga, visiškai neskaidri. Šiuolaikiniuose šviesolaidžiuose dešimtis kilometrų nusklidęs signalas susilpnėja labai mažai. Tačiau jeigu tokiai skaidulai naudotume įprastą langų stiklą, tai spindulys nusloptų ir po kelių dešimčių metrų.