Metody potlačování koherence laserového světla pro potřeby zobrazování Konzultant: Mgr. Tomáš Janda (
[email protected]), KCHFO MFF UK Koherence je jednou z předností laserového světla, která vedla v minulosti k značnému rozšíření laserů do mnoha oblastí výzkumu i aplikací. Asi nejdůležitějším fyzikálním jevem spojeným s koherencí světla je možnost interference světelných vln na makroskopických vzdálenostech. Pro některé účely však může být koherence světla a z ní vyplývající interferenční jevy překážkou. Pokud se například pokusíme pomocí koherentního světla zobrazovat vzorky v optickém mikroskopu, zjistíme, že zorné pole je tvořeno změtí jasných a tmavých skvrn (anglicky speckles), které naprosto znemožňují pozorování. Skvrny vznikají v důsledku interference světelných vln odražených od různých míst hrubého povrchu vzorku. V místech, kde se vlny setkávají se stejnou fází, vznikne jasná skvrna, tam, kde se vlny sejdou v protifázi, je tmavé místo. K odstranění interferenčních efektů je potřeba potlačit koherenci světla, tedy je potřeba určitým způsobem znáhodnit fázové vztahy mezi vlnami dopadajícími na zkoumaný vzorek. Existuje řada více či méně komplikovaných postupů jak toho dosáhnout. Do Laboratoře OptoSpintroniky bylo za tímto účelem zakoupeno specializované zařízení založené na vysokofrekvenčním pohybu matnice napříč laserovým svazkem. Cílem projektu bude nejprve seznámení se s pojmem koherence světla a s tím souvisejícími interferenčními jevy v optice. Následně budou zkoumány různé postupy vedoucí k potlačení koherence a porovnána jejich účinnost odvozená z dosažené homogenity osvětlení vzorku. Součástí projektu bude i charakterizace komerčního zařízení určeného k potlačení koherence světla a bude stanovena závislost jeho účinnosti na parametrech vstupního svazku, hrubosti povrchu vzorku či vlnové délce světla. Zda je či není světlo koherentní si lze ověřit jednoduše. Namíříme-li koherentní světelný svazek na jakýkoliv běžný povrch, pozorujeme vznik světlých a tmavých skvrn v důsledku interference světla na nerovnostech povrchu.
Literatura: 1. P. Malý: Optika, Karolinum, 2008. 2. E. Hecht: Optics, 4th edition, Addison Wesley, USA (2002).
1
Měření účinnosti generace záření ve střední infračervené oblasti Konzultant: Mgr. Tomáš Popelář (
[email protected]), KCHFO MFF UK V minulém roce byla v naší laboratoři postavena aparatura na generaci femtosekundových laserových pulsů o vlnových délkách 3 – 12 m. K tomuto účelu je využívána generace rozdílové frekvence v nelineárním krystalu ze dvou svazků v blízké infračervené oblasti. Její účinnost závisí na několika faktorech, z nichž jsme schopni v laboratoři měnit natočení krystalu vůči dopadajícím svazkům a intenzitu každého z nich. Generované záření je využíváno ke studiu materiálů a míra jeho interakce závisí na jeho intenzitě, proto je velice důležité účinnost optimalizovat, aby materiálová reakce byla měřitelná. V rámci tohoto projektu bude student v zimním semestru seznámen s teorií generace rozdílové frekvence a používaným experimentálním uspořádáním. V letním semestru bude měřena účinnost, respektive její průběh v závislosti na změně parametrů jako je natočení krystalu a intenzita vstupních laserových pulsů.
Obrázek: Experimentální uspořádání
Literatura 1. R. Boyd, Nonlinear optics, Academic press (1992)
2
Charakterizace optického parametrického oscilátoru Konzultant: Mgr. Vít Saidl (
[email protected]), KCHFO MFF UK Při zkoumání materiálů optickými metodami bývá užitečné mít k dispozici silný zdroj světla pokrývající co nejširší spektrální oblast. Konvenční lasery, pokud vůbec umožňují změnu vlnové délky, lze obvykle ladit jen v řádu několika desítek až stovek nanometrů. Oproti tomu optický parametrický oscilátor (OPO) dokáže produkovat záření jak viditelné, tak infračervené, a v některých případech i terahertzové. Princip fungování optického parametrického oscilátoru je v tom, že se díky nelineární optice ze silného laserového svazku jedné vlnové délky, který do OPO vstupuje, vytváří dva slabší svazky (tzv. signální a jalový) se značně odlišnými vlnovými délkami. V rámci tohoto projektu se řešitel podrobně seznámí s principy fungování optického parametrického oscilátoru. Dále provede podrobnou charakterizaci laserových svazků vystupujících z výrobku Inspire HF od firmy Spectra Physics, který byl v roce 2012 instalován do nově zřízené Laboratoře OptoSpintroniky na MFF UK.
Obrázek Jednoduchý náčrtek optického parametrického oscilátoru. Do přístroje vstupuje silné laserové světlo (pump). Jeho průchodem nelineární krystalem (světle modrý obdeník) se vytvoří dva další světelné svazky s jinými vlnovými délkami [1]. Literatura: 1. http://www.ru.nl/tracegasfacility/trace_gas_research/laser-sources/optical-parametric/ 2. http://www.rp-photonics.com/optical_parametric_oscillators.html
3
Měření časového a spektrálního rozlišení rozmítací kamery a jejich optimalizace Konzultant: RNDr. Miroslav Kořínek (
[email protected]), KCHFO MFF UK Rozmítací kamera je přístroj převádějící časovou informaci, získanou ze světelné události, na informaci prostorovou. Má velký význam při spektroskopických měřeních vyžadujících vysoké časové rozlišení (běžně pikosekundy, nejnovější rozmítací kamery až 100 femtosekund), a proto nachází uplatnění v mnohých odvětvích (výzkum polovodičů, vývoj laserů, optické komunikace, ...). Rozmítací kamera může pracovat ve dvou základních režimech – single sweep a synchroscan. Každý z nich má jisté přednosti a nevýhody a poskytuje pro měření jiné rozlišení. V rámci tohoto projektu bude student s využitím femtosekundového laserového systému zkoumat časové a spektrální rozlišení rozmítací kamery v různých režimech a nastaveních. Na základě měření vlivu experimentálních parametrů (velikost štěrbiny, doba expozice, typ vzorku, …) navrhne řešitel optimální nastavení rozmítací kamery pro konkrétní experimenty.
Literatura: 1. Hamamatsu Guide to Streak Cameras (EN) http://sales.hamamatsu.com/assets/pdf/catsandguides/e_streakh.pdf 2. I. Pelant, J. Valenta: Luminiscenční spektroskopie, Academia, Praha 2006.
4
Skryté kouzlo polarizace Konzultantka: Mgr. Dagmar Butkovičová (
[email protected]), KChFO MFF UK Kdo by dnes neznal 3D filmy v IMAXu, displej kalkulaček nebo polarizační filtry pro fotoaparáty? Co však stojí za jejich zobrazovacími mechanismy? A proč například jepice naráží do kapot aut? Odpovědí je POLARIZACE SVĚTLA. Polarizace elektromagnetického záření je jeden ze stupňů volnosti světla a je určena vývojem vektoru elektrické intenzity v závislosti na čase. Není to vlastnost ledajaká – je ovlivňována mnohými vlastnostmi materiálů, na něž světlo dopadá, a může nám tak změnou polarizačního stavu světla naznačit, co se v materiálu děje na mikroskopické úrovni.
Obrázek: Schématické vysvětlení využití polarizačních brýlí při rybaření ke ztlumení slunečního světla polarizovaného odrazem od vody pod Brewsterovým úhlem. Brýle nepropustí světlo, které je odrazem polarizováno vodorovně. Vysvětlení, proč tomu tak je, je také součástí tohoto projektu. V rámci tohoto projektu se student detailně seznámí s polarizací světla a její různou reprezentací (ať už pomocí tzv. polarizační elipsy nebo maticovým formalismem). Poté se zaměříme na možné způsoby „výroby“ polarizovaného světla, které vyzkoušíme i v praxi, avšak nejzásadnější bude charakterizace polarizace po průchodu různými polarizačními prvky v naší Laboratoři opto-spintroniky (vedle běžných fázových polarizačních destiček také nového Berekova kompenzátoru, s jehož využitím je možné připravit světlo do jakéhokoli polarizačního stavu, a tak i zcela kontrolovat polarizaci světla podél celé cesty svazku našimi experimenty). Literatura: 1. Malý: Optika, Karolinum, 2008. 2. Saleh, Teich: Základy fotoniky, Matfyzpress, Praha 1994.
5
Jak změřit 100 fs? Konzultant: Mgr. Martin Pokorný (
[email protected]), KCHFO MFF UK V laboratoři ultrarychlé laserové spektroskopie používáme laserové pulzy o délce řádově 100 fs. Díky nim jsme schopni dosahovat při optických měřeních takto vysokého časového rozlišení, které je nutné pro zkoumání rychlostí a mecahnismů relaxace a rekombinace elektronů a děr, a také pro zkoumání jejich transportních mechanismů. Cílem tohoto studentského projektu je ověřit, zda používané laserové pulzy skutečně mají výše uvedenou délku a seznámit se s metodou jejího určení pomocí autokorelátoru. Student se nejprve seznámí s principem této měřicí metody, jejími výhodami i nedostatky. Poté měřicí aparaturu sestaví, s její pomocí proměří skutečnou délku laserových pulzů na výstupu z laseru a srovná ji s délkou pulzů po průchodu optickým parametrickým zesilovačem TOPAS. Student dále teoretickým modelem určí, jak se délka pulzu změní po průchodu disperzním prostředím (sklo, optické elementy), a tento výpočet následně v praxi ověří. Nakonec se okrajově seznámí s metodami generace ultrakrátkých laserových pulzů.
Literatura: 1. http://en.wikipedia.org/wiki/Modelocking 2. http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_autocorrelation 3. Manuál k autokorelátoru
6
Nelineární index lomu Konzultant: RNDr. Miroslav Kořínek (
[email protected]), KCHFO MFF UK Jedním ze základních nelineárních jevů je závislost indexu lomu zkoumaného materiálu na intenzitě dopadajícího světla. Důsledky tohoto jevu jsou nesmírně důležité pro rozvoj aplikované fyziky (pasivní synchronizace modů u laserů generujících ultrakrátké světelné pulzy, aj.). Ukazuje se, že hodnota indexu lomu se mění se vzrůstající intenzitou světla. V rámci tohoto projektu se student nejprve teoreticky seznámí s problematikou existence nelineárního indexu lomu a s metodami jeho měření. Řešitel dále vypočte hodnoty indexu lomu křemenného skla pro různé intenzity světla a získané hodnoty poté ověří v laboratořích KCHFO. Nedílnou součástí projektu bude diskuze volby vhodné metody měření nelineárního indexu lomu a postupu měření.
Literatura: P. Malý: Optika, Karolinum, Praha 2008. B. E. A. Saleh, M. C. Teich: Základy fotoniky 3, Matfyzpress, Praha 1991. B. E. A. Saleh, M. C. Teich: Základy fotoniky 4, Matfyzpress, Praha 1994.
7
3D mapování magnetického pole měřením Hallova jevu Konzultanti: Mgr. Tomáš Janda (
[email protected]), KCHFO MFF UK RNDr. Lukáš Nádvorník (
[email protected]), FZÚ AV ČR V naší laboratoři se dlouhodobě zabýváme studiem feromagnetických materiálů využitelných ve spintronice. To je poměrně mladý vědní obor, jenž si klade za cíl rozšířit možnosti dnešní výpočetní techniky využitím spinu elektronu pro přenos a zpracování informace. Feromagnetické materiály lze snadno ovládat přiložením vnějšího magnetického pole. K tomu se využívají silné elektromagnety schopné generovat magnetická pole o mnoho řádů silnější než je přirozené magnetické pole naší planety. Magnetické pole vytvořené elektromagnetem je však nehomogenní, tzn. nemá ve všech bodech mezi pólovými nástavci stejnou velikost ani směr. Řada fyzikálních dějů je však na velikost a orientaci přítomného magnetického pole vysoce citlivá. Proto je potřeba přesně znát rozložení magnetického pole v místě, kam je umisťován zkoumaný vzorek. Jednou ze základních metod měření velikosti magnetického pole je využití Hallova jevu. Při něm se ve vodivém pásku indukuje kolmo na směr procházejícího proudu a směr magnetického pole příčné elektrické napětí úměrné právě velikosti přítomného magnetického pole. Pro dosažení vysokého prostorového rozlišení při mapování pole je potřeba vyrobit vodivý pásek mikroskopických rozměrů. Student se v rámci projektu nejprve seznámí s technologií výroby mikroskopických elektronických obvodů metodou elektronové litografie a bude se účastnit výroby vlastního měřícího mikro-zařízení v laboratořích FZÚ AV ČR. To bude následně využito pro zmapování rozložení magnetického pole v prostoru mezi pólovými nástavci elektromagnetu umístěného v Laboratoři Opto-Spintroniky na KCHFO MFF UK.
Snímek mikroskopického experimentálního elektrického obvodu vytvořeného metodou EBL (Electron beam litography). Tato metoda dovoluje doslova nakreslit obvod elektronovým svazkem do destičky ze zkoumaného materiálu se submikronovou přesností.
Literatura: 1. Bakule R., Šternberk J.: Fyzikální praktikum (2. díl), SPN, Praha (1989). 2. http://en.wikipedia.org/wiki/Hall_effect 3. http://en.wikipedia.org/wiki/Electron-beam_lithography 8
Měření délky infračervených femtosekundových laserových pulzů pomocí metody FROG Konzultant: Mgr. Jan Salava (
[email protected]), KCHFO MFF UK Ultrakrátké laserové pulsy se používají v materiálovém výzkumu jako nástroj pro studium rychlých procesů a nelineárních jevů. Pro správnou interpretaci získaných údajů, je třeba znát co nejpřesněji parametry použitých pulzů. Hlavními charakteristickými vlastnostmi ultrakrátkých pulzů jsou jejich spektrum a časový průběh intenzity světla. V případě femtosekundových pulzů nelze délku pulzu změřit přímo zejména kvůli pomalé odezvě standardních detektorů, resp. jejich elektroniky, na tak krátkých časových škálách. V poslední době se rozvinulo několik nových metod, s jejichž pomocí lze kompletně rekonstruovat průběh elektromagnetického pole daného pulzu. Cílem projektu bude pomocí metody FROG (frequency resolved optical gating) změřit délku infračervených femtosekundových pulzů. Tato metoda založená na měření spekter pulzů na druhé harmonické frekvenci generovaných dvěma identickými pulzy s různým zpožděním nám pomůže změřit délku IČ pulzů vycházejících z optického parametrického zesilovače TOPAS.
9
Vzájemná synchronizace laserových a magnetických pulsů Konzultant: Mgr. Vít Saidl (
[email protected]), KCHFO MFF UK Klasickým nástrojem pro studium a manipulaci s magneticky uspořádanými látkami je magnetického pole. V nedávné době ale bylo zjištěno, že pro tento účel je možné využít také krátké světelné záblesky (tzv. ultrakrátké laserové pulsy). V některých feromagnetických látkách se totiž tyto optické pulsy projevují jako velice krátké pulsy magnetického pole, které – za vhodně zvolených experimentálních podmínek – mohou dokonce změnit orientaci magnetických momentů ve studované látce. To je velice zajímavé zejména pro informační technologie, protože právě orientace magnetizace je využívána pro ukládání logických "0" a "1" v pevných discích počítačů. Praktická implementace tohoto jevu by pak následně mohla vést ke zvýšení rychlosti záznamu dat až o několik řádů. V současné době je ale tento výzkum teprve v úplném počátku. Studium rychlosti překlápění orientace magnetizace pomocí laserových pulsů je značně komplikovaná úloha, protože je nutné – mimo jiné – vždy před dopadem laserového pulsu připravit magnetizaci v předem definovaném stavu, ze kterého je následně laserovým pulsem vychylována. Pro provádění těchto experimentů by tedy bylo velice užitečné, pokud by se podařilo synchronizovat magnetické pole využívané pro nastavení počátečního stavu studované látky a dopadající laserové pulsy. Za tímto účelem byl do Laboratoře OptoSpintroniky zakoupen nový proudový zdroj napájení elektromagnetu a v rámci tohoto projektu bude provedena jeho charakterizace. Cílem tohoto projektu je zjistit, jak nejrychleji je možné v používaném elektromagnetu periodicky měnit magnetické pole a jakým způsobem je možné ho frekvenčně a fázově synchronizovat s femtosekundovymi pulsy generovanými laserem.
Obr. Schematické znázornění překlápění směru magnetizace (M) pomocí laserového pulsu [2]. Literatura: 1. http://physics.mff.cuni.cz/kchfo/ooe/vyzkum/opto-spintronika 2. Nature Physics 8, 411-415 (2012). 3. Nature Photonics 7, 492-498 (2013).
10
Fundamentální optické experimenty Konzultantka: Mgr. Dagmar Butkovičová (
[email protected]), KChFO MFF UK Zrak je jedním z nejdůležitějších lidských smyslů, díky němuž poznáváme svět kolem sebe. V průběhu dějin však lidská mysl dokázala naše schopnosti posunout daleko za hranice fyziologických možností našeho oka a dnes tak máme možnost vedle informací získaných naším zrakem pozorovat díky optickým pokusům například děje odehrávající se v látkách na mikroskopické úrovni. Optické experimenty například také stály u vzniku kvantové teorie. Vždyť kde bychom dnes byli bez pochopení vlnově-částicového dualismu světla a také dnes již automaticky přijímané konstantní rychlosti světla? A co teprve krása pointilistických obrazů využívajících skládání světelných vln a rozlišovací schopnost čočky našeho oka podobně jako u difrakce? Je to napínavá výprava po stopách zásadních optických experimentů zasahujících všechny oblasti fyziky…
Obrázek: Příklad uměleckého využití skládání světelných vln odražených od barevných skvrn na plátně vytvářejících difrakční obrazec v lidském oku. Pozorovatel zblízka vidí jednotlivé barevné body, ale při větší vzdálenosti splynou a utvoří barevnou mapu v podobě obrazu. Zde malíř Seurat využil Rayleighovo kritérium pro rozlišitelnost dvou blízkých bodů. V rámci tohoto projektu se řešitel hlouběji seznámí s různými optickými experimenty, které hrály důležitou roli ve vývoji fyziky. Získané poznatky pak zpracuje do přehledového textu, který následně bude sloužit jako doplňkový studijní materiál při výuce optiky. Literatura: 1. Beiser: Úvod do moderní fyziky, Academia, 1975. 2. Halliday, Resnick, Walter: Fyzika – Optika, Prometheus, 2003. 3. Malý: Optika, Karolinum, 2008.
11
