Zvětšit obrázek

James Michael (vlevo) je doktorandem Arthure Dogariu (vpravo) z Princeton University. Spolu s dvěma dalšími kolegy vyvíjejí laserový systém pro registraci konkrétních plynů na dálku. Dalším výzkumným cílem jsou detektory kombinující laser s radarem. Foto: F. Wojciechowski

Představte si přenosný přístroj, který namíříte někam do prostoru před sebou, stlačíte vypínač a obratem získáte přehled, jestli tam není výbušnina nebo se ve vzduchu nenacházejí stopy jedovatých plynů. Pro armádu by takový detektor byl doslova k nezaplacení a tak není divu, že podporuje příslušný výzkum. Na vyhledávání nejen drog, ale i výbušnin se v současnosti používají cvičení psi, jiné, zdraví ohrožující plyny se detekují přístroji, například iontovým spektrometrem. Nic ale nefunguje na dálku a pro analýzu je často nevyhnutné vzorek vzduchu na místě odebrat. Naději pro měření na bezpečnou vzdálenost nabízí laserový paprsek. Již dnes se pomocí něho dá určit například hustota oblačnosti, nebo přesněji než radarem stanovit vzdálenost nějakého objektu. Čtyři fyzikové z Princeton University v americkém státě New Jersey ale slibují, že jejich laserový systém bude schopen po sérii dalších inovací na dálku zjistit přítomnost i malého množství molekul různých prchavých látek. Své dosavadní výsledky publikovali v posledním lednovém vydání časopisu Science.

Zvětšit obrázek

Dva fotony ultrafialového laserového světla rozdělí molekulu kyslíku na dva atomy. Další pár fotonů způsobí přeskok valenčního elektronu o dva energetické stupně – atomové orbitaly - výš. Při návratu o jeden zpátky elektron vyzáří IF foton o vlnové délce 845 nm, na kterou je nastavený detektor v místě zdroje primárního pulzu. Kredit: A. Dogariu et al./Science vol.331, 2011

Nejde o zcela první pokus svého druhu. Již v roce 2004 kanadští fyzikové použili laserový paprsek nastavený tak, aby ionizoval atomy vzdušného dusíku. Signál vyzářený při jejich rekombinaci, tedy zpětného přechodu do neutrálního stavu, byl vzhledem na vysokou intenzitu primárního laserového záblesku velmi slabý. Problémem bylo, že fotony laserového světla ionizovaly dusík na dlouhém úseku podél dráhy paprsku a docházelo k velkému rozptylu záření. Američané se teď snaží problémy obejít pozměněnou metodou, při níž nedochází k ionizaci, ale jenom k excitaci atomů a navíc jen ve velmi malém cílovém prostoru. Primární laserový pulz s energií 100 µJ trvá jenom 100 pikosekund (tedy desetinu miliardtiny sekundy) a je pomocí čočky s ohniskovou vzdáleností 30 cm soustředěný do „prázdného“ prostoru ve vzduchu. Cílový objem má ve směru paprsku délku asi milimetr a napříč šířku jen jedné setiny milimetru. V tomto ohnisku fokusované koherentní laserové světlo o vlnové délce 226 nanometrů (ultrafialové záření) nejdříve rozštěpí molekuly kyslíku na atomy a ty následně vybudí do excitovaného stavu (obrázek vpravo). Při ionizaci atom o jeden, nebo více elektronů zcela přichází, při vybuzení (excitaci) pohlcená energie fotonu nestačí aby záporný valenční elektron unikl z dosahu kladného jádra, tak se jenom od něho vzdálí. Přeskočí ze své hladiny na některou vzdálenější s vyšší energii. Pokud se mu nedostane další energetické podpory zvenčí, velmi rychle ho jádro přinutí se spontánně vrátit. O své cestě zpět elektron vyšle zprávu v podobě fotonu o vlnové délce, jež odpovídá energetickému rozdílu hladin po kterých sestupuje. V případě laseru z Princetonu se na „rozbití“ molekuly kyslíku podílí dva UV fotony. Excitaci osamostatněných atomů mají na svědomí také páry fotonů, které v jejich elektronových obalech přinutí valenční elektron přejít z hladiny 2p na 3p. Při svém spontánním návratu elektron seskočí nejdříve na hladinu 3s, přičemž vyzáří infračervený foton s vlnovou délkou 845 nm.

Zvětšit obrázek

Primární laserový pulz o vlnové délce 226 nm je fokusovaný tak, aby v jisté vzdálenosti (v současnosti asi 30 cm) měl nejvyšší intenzitu. V ohnisku pak rozbíjí molekuly kyslíku a způsobuje excitaci vzniklých atomů. Pro detekci slouží zpětný záblesk excitačního IF záření. Kredit: Arthur Dogariu

Pomocí soustav detektorů rozmístěných pod různými úhly po stranách od osy přístroje vědci prokázali, že toto excitační sekundární záření se šíří přednostně ve směru původního paprsku, stejně vpřed jako i zpátky a k jeho rozptylu do stran v místě ohniska dochází jenom v minimální míře. Jde tedy o excitací vyvolaný koherentní infračervený záblesk, vlastně jakýsi sekundární laserový IF pulz, který se z ohniska vyzáří do dvou směrů. To umožňuje jeho dostatečně intenzivní "zpětnou" složku bezpečně registrovat v místě zdroje primárního UV signálu. Zisk – poměr amplitudy naměřeného a původního pulzu – je v porovnání s předcházejícími ionizujícími systémy podstatně větší. Analýza výsledného obrazu, míra a charakter jeho "rozmazání", které odpovídá rozptylu registrovaného záření, by měla odhalit s molekulami jakých plynů se IF paprsek na své cestě k detektoru potkal.

Pravdou je, že i když univerzitní mediální zpráva informuje o obrovských možnostech nového systému v oblasti dálkové detekce plynů, zatím jde jenom o princip. O první testy použitelnosti metody v praxi. Kanadští kolegové z konkurenční skupiny na quebecké Université Laval, autoři ne velmi perspektivní, málo ziskové metody využívající ionizaci atomů plynu, sice inovovanému laserovému detektoru tleskají, ale v otázce slibovaného využití jsou skeptičtí. Vědě prospěšná zdravá rivalita, když se hraje fair play, je silnou pozitivní motivací. A když k ní navíc výrazně přispívá i financemi vyjádřený zájem armádních kruhů, těžko se dá říci „nejde to“.

Zdroje: Princeton University, Science