Prezentace F. Batysty

Transkript

Tajemství ELI - nejintenzivnějšího laseru světa
František Batysta
Fyzikální ústav AV ČR
Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská ČVUT
24. října 2012
František Batysta | Tajemství ELI - nejintenzivnějšího laseru světa | Gymnázium Arabská | 24. října 2012
1/35
Obsah I
1 Co je to světlo
2 Interakce záření s látkou
3 Principy laseru
4 Pulsní lasery
5 Aplikace laserů
6 ELI
7 Aplikace ELI
8 Lasery na ELI
9 Parametry ELI
2/35
Co je to světlo?
„Skutečnou“ pravdu neznáme!
Různé úrovně popisu
Obrázek: Kvantová optika
Obrázek: Geometrická optika
Obrázek: Vlnová optika
[quantum.opticsolomouc.org, physics.uc.edu, Saleh - Fundamentals of photonics.]
3/35
Vlnění × částice
Během šíření → vlnění
Huygensův princip:
každý bod vlnoplochy
se stává elementárním
zdrojem sférické vlny.
Interakce s látkou → částice
Absorpce fotonu
Šíření vlny i za
překážku.
Energii lze nekonečně
dělit.
Emise fotonu
[chemcomp.com,cliffsnotes.com]
4/35
Interakce záření s látkou
základní procesy
Spontánní emise
Einsteinovy koeficienty
Spontánní emise
dn1
dt = A21 n2
Stimulovaná emise
Stimulovaná emise
dn1
dt = B21 n2 I (ν)
Absorpce
dn1
dt = −B12 n1 I (ν)
Absorpce
Vztahy mezi Einst. koef.
3
B12 = B21 , A21 = 8πch3ν B21
[wikipedia.org]
5/35
Součásti laseru
Aktivní prostředí
Stimulovaná emise
Pevnolátkové
Kapalné
Plynné
Plazma
Rezonátor
Zpětná vazba
Definuje směr
Tvořen zrcadly
Čerpání
Dodává energii
Optické
Elektrické
Chemické
Termomechanické
[wikipedia.org]
6/35
Hladiny aktivního prostředí
Dopant aktivního prostředí
trojhladinový systém
čtyřhladinový systém
Čtyř-hladinový systém je
výhodnější z hlediska
dosažení inverze populace.
7/35
Optický rezonátor
[wikipedia.org]
8/35
Vlastnosti laseru
Generátor koherentního záření
Spektrum v diskrétních modech
Jednomodový laser monochromatický
Kolimované záření (lze
kolimovat)
[physics.utoronto.ca]
9/35
Komerčně dostupné lasery
úzkospektrální, širokospektrální, přeladitelné
10/35
Pulsní lasery
Pulsní lasery umožňují zkoumat velmi rychlé děje a mají
zpravidla velmi vysoký špičkový výkon, při interakci s
hmotou vykazují zcela odlišné chování než kontinuální
lasery
Q-spínání
Modelocking
Spínání kvality
Synchronizace modů
1ns -100ns
5 fs - 100 ps
11/35
Q-spínání
Enegie se hromadí v
zavřeném rezonátoru
Po otevření rezonátoru
vznikne gigantický puls
[spie.org, mrl.columbia, eduleysop.com]
12/35
Synchronizace modů
V daném čase existuje
místo v rezonátoru, kde
jsou všechny módy ve
fázi.
Interference módů →
ultra-krátký puls
Čím více módů → kratší
puls
Šířka pásma pulsů
∆τ · ∆ν = 0.44
Pro 10 fs puls je potřeba 100
nm šířka pásma
13/35
Synchronizace modů Kerrovou čočkou
Index lomu závisí na intenzitě
n(I ) = n0 + n2 I
Při vysokých intenzitách
se chová jako čočka
Pouze intenzivní puls se
fokusuje skrz otvor
Počáteční impuls vznikne
náhodně, nebo
mechanicky
Délka generovaných pulsů ∼ jednotky femtosekund
14/35
Jak krátká je femtosekunda
1 fs = 10−15 s =
0.000000000000001 s
Kvantové systémy se
simulují s krokem ∼ 1 fs.
2.66 fs – doba periody
zákmitu světla na ELI
200 fs – nejrychlejší
chemické reakce, jako
excitace pigmentu v
lidském oku
300 fs – Vibrace
molekuly iodu I2
[wikipedia.com, turbosquid.com]
15/35
Disperze a komprese
[časopis vesmír, chem.ch.huji.ac.il]
16/35
Difrakční mřížka
17/35
Aplikace laserů
Monochromatičnost, energie / výkon, délka impulsu,
opakovací frekvence, koherence, kolimovanost, polarizace
Medicína – oftalmologie, dermatologie, chirurgie,
kardiologie, stomatologie. . .
Průmysl – řezání, sváření, vrtání, kalení, gravírování. . .
Biologie, chemie, spektroskopie, astronomie –
zobrazování, měření spekter. . .
Metrologie, geodézie, meteorologie, ekologie – měření
vzdáleností, znečištění, 3D skenování. . .
Elektronika, výpočetní technika, telekomunikace –
litografie, uchování dat, tisk, opt. vlákna. . .
Holografie – 3D obrazy, bezpečnostní prvky,...
Restaurátorství – čištění soch, obrazů
Zábavní průmysl – laser show, ukazovátka
Základní výzkum – attosekundová věda, laserová fúze,
urychlování částic, fyzika vysokých intenzit. . .
18/35
Laserové ukazovátko
19/35
Aplikace v medicíně
[lasikfortworth.org]
20/35
Aplikace v průmyslu
21/35
Vojenské aplikace
Laserové navádění
Sestřelování bomb
Dazzler - laserové
oslepování.
ě
[prlog.org]
22/35
ELI
[eli-beams.eu]
23/35
Nové laserové centrum pro vznikající u Prahy
Celkový rozpočet zhruba 6,7 miliardy Kč
Uvedení do provozu na začátku roku 2016
Cíle:
Poskytovat femtosekundové zdroje rentgenového záření
pro využití ve výzkumu
Urychlování elektronů a protonů a iontů, zdroje záření γ
Medicínský výzkum (např. protonová terapie nádorů)
Biomedicínský a materiálový výzkum
Fyzika hustého plazmatu, laboratorní astrofyzika
Fyzika vysokých intenzit, „exotická“ fyzika
(elektron-pozitronové plazma, kvantové jevy)
Vývoj technologií pro ještě intenzivnější lasery
[eli-beams.eu]
24/35
Rentgenové lasery
Koherentní rentgenové
zdroje
Femtosekundové pulsy
Studium počátečních fází
reakcí a ultrarychlých
přechodových jevů ve
fyzice a v biochemii
[eli-beams.eu, www.llnl.gov]
25/35
Nano – holografie
Hologramy krystalu CoO měřené při energiích fotonů hν = 6925,
13861, 17444 a 18915 eV. (e) Obrazy atomů získaných z kombinace
těchto měření.
[M. Tegze et al., Phys. Rev. Lett. 82, 4847 (1999)]
26/35
Urychlování částic
Laser je schopen urychlit na vzdálenost 1 mm tak, jako
urychlovač na 100 m. Protony, elektrony, ionty.
[eli-beams.eu]
27/35
Protonová terapie
Kompaktní a levné zdroje pro léčbu rakoviny
[eli-beams.eu]
28/35
Laserový systém
[eli-beams.eu]
29/35
Laserový systém
[eli-beams.eu]
30/35
Zesilovače
1
Generace krátkých
pulsů
2
Prodloužení pulsů
3
Zesílení pulsů
4
Zkrácení pulsů
[en.wikipedia.org]
31/35
Čerpací diodový laser
Kolegové si hrají...
32/35
Parametry ELI
ELI beamlines = několik
laserových svazků pracujících
zároveň.
V konečné fázi výkon až
200 PW = 2·1017
Intenzity fokusovaného
světla ∼ 5·1024 W/cm2
Porovnání
ELI = Slunce vyzařující
veškerý svůj výkon (4x1026 W)
z plochy cca 10x10 cm
[http://static.ddmcdn.com/gif]
33/35
Pozvánka
34/35
Děkuji za pozornost
35/35

Prezentace F. Batysty

Transkript

Podobné dokumenty

Asie II - historick pehled

Adobe PDF

Struktura a replikace

obsah - Excerpta z teoretické chemie

D. Kramer - ELI – extreme light infrastructure

Newsletter - ELI – extreme light infrastructure

staroslověnská liturgie

Návod k obsluze PDF

BTC