Lézer, a különleges fénysugár Dr. Paripás Béla fizikus, egyetemi tanár
The International Year of Light and Light‐based Technologies
2015
We will only get one chance 2015 – a fény nemzetközi éve volt
A fény éve egy kicsit azért a lézer éve is volt
Egy kis fényfizika történet Kezdjük a XVII. századnál 1. Descartes elmélete: a mindenséget kitöltő finom anyagrészek örvényléséből adódó nyomás. nem vezet sehová 2. Huygens elmélete: az éterrészecskék rugalmas rezgéseinek tovaterjedése, tehát mozgásállapot terjedése. részben igaz: hullám, de nem az éterben 3. Newton elmélete: a fény részecskékből (korpuszkula) áll, amelyek az üres térben is haladhatnak. ez áll legközelebb az igazsághoz: foton
A fénytan fejlődése a a XIX. században Young, 1801: a kétréses kísérlet; az interferencia bizonyítja a fény hullám jellegét egyúttal lehetővé teszi a hullámhossz mérését is Thomas Young (1773-1829)
A fény mégiscsak hullám inkább !!!
A fénytan fejlődése a a XIX. században Brewster (1781-1868): a kb. 57°-ban visszavert fény lineárisan poláros (tg 57° ≈ 1,5 = n) a polarizáció és a transzverzalitás kapcsolata (~1815)
Malus (1775-1812): a kb. 57°-ban visszavert fényt a vele párhuzamos felső üveglemez visszaveri, de 90°os elforgatás után nem: első kísérlet, ami a transzverzalitást mutatja (~ 1810)
Fresnel (1788-1827) matematikailag precízen megfogalmazza a Huygens elvet, az interferenciát, transzverzalitást, polarizációt. (~ 1820)
Ráadásul transzverzális hullám, ami polarizálható
A fénytan fejlődése a a XIX. században Az rendben van, hogy hullám, no de mi hullámzik? Mi más, mint az éter: a világmindenséget betöltő, az elektromágneses jelenségeket (közte a fényjelenségeket) hordozó hipotetikus közeg. A newtoni mechanikus világkép egyik utolsó maradéka, az abszolút tér megtestesítője. A fény tehát az éter (étert alkotó részecskék) keresztirányú rugalmas hullámzása?! És akkor – szinte előzmények nélkül – jött a Maxwell-i gondolat: a fény elektromágneses hullám (1864) James Clark Maxwell (1831-1879) a XIX. sz. legnagyobb elméleti fizikusa, a klasszikus elektrodinamika megalkotója
A fénytan fejlődése a a XIX. században
Kibővítette az Apereegyenletet Felírta az elektromágnességtan teljes egyenletrendszerét Felismerte az elektromágneses hullámok lehetőségét
G G d G G v∫g Hds =I A + dt ∫A DdA
G G d G G v∫g Eds = − dt ∫A BdA
G 2 G ∂ E ∇ 2 E = μ0 ⋅ ε 0 ⋅ 2 ∂t
G G G G ⎛ n⋅r ⎞ E = E0 ⋅ cos ω ⎜ t − ⎟ v ⎠ ⎝
v=
1
μ0 ⋅ ε 0
A fénytan fejlődése a a XIX. században Maxwell: Mivel az elektromágneses hullámok sebességére az elmélet a fénysebességgel pontosan egyező sebességet ad, ezért
v=
1
μ0 ⋅ ε 0
3 ⋅108 m
s
„Valószínűsíthető, hogy a fény (és a hősugárzás) is egy a felírt törvények szerint az elektromágneses térben terjedő zavar (1864).
Hertz (1857-1894): Az elektromágneses hullámok létének és a fényhullámokkal azonos viselkedésének a bizonyítása (1886). Lorentz (1853-1928): az elektromágneses fényelmélet szintézise, klasszikus elektronelmélet, fény és anyag kölcsönhatásának klasszikus tárgyalása (~1900). Jelentőségét a későbbi kvantumelmélet jelentősen csökkentette.
Az elektromágneses spektrum
Az elektromágneses természet felismeréséhez kellett a fénysebesség pontos ismerete! Első próbálkozások a fény terjedési sebességének kísérleti meghatározására A visszaérkező fényjel Δt időkésését mérték különböző d értékek esetén
Következtetés: Δt nem függ d-től. Tehát a fény sokkal rövidebb idő alatt teszi meg a néhány km-es utat, mint amennyi az ember reakcióideje, azaz a fény sebessége ezzel a hódszerrel nem mérhető meg. Ahhoz csillagászati távolság kell.
Römer (1644-1710): a fény terjedési sebességének első kísérleti meghatározása (1676). A Jupiter legbelső holdjának holdfogyatkozásai között eltelt időket figyelte meg igen pontosan. Ha a Föld távolodik a Jupitertől (B), akkor ezek az idők nagyobbak, mint amikor közeledik (D).
Ió, Nagyságrendileg helyes eredményt kapott (2,3 ·108 m/s).
Európa,
Ganümédész, Kallisztó
Fizeau (1819-1896): először mérte meg a fénysebességet földi körülmények között (1849), a pontossága 5%-on belül volt. A fény sebessége álló vízben kisebb, mint a vákuumban!!!. A kettő aránya a törésmutató. (Mégiscsak többet ér egy jó kísérlet, mint egy évezrednyi spekuláció!!!) Áramló vízben váratlan eredmények: c’ = c/n + (1 - 1/n2)v
De mihez képest értendő a fénysebesség vákuumban? Az éter koncepciója még létezik a XIX. sz. végén, ehhez van rögzítve az abszolút vonatkoztatási rendszer. (De már nem rezegni képes részecskékből áll.) A fénysebesség irányfüggésének mérésével a Föld sebessége az éterben megmérhető, ez a Michelson-interferométerrel megtehető.
Michelson (1852-1931)
A kísérlet végeredménye (a Föld minden részén végzett többszáz mérés alapján): a fény sebessége minden inerciarendszerben minden irányban mindig ugyanannyinak adódik. A megoldás: Einstein, 1905, speciális relativitáselmélet. Éter nincs, minden inerciarendszer egyenértékű minden fizikai jelenség szempontjából. Értelemszerűen a fény minden inerciarendszerben minden irányban ugyanazzal a c sebességgel terjed.
c=299792458 m/s (egzakt, mert ma ezen alapul a méter) „Súlyos következmény”: nincs abszolút idő sem, minden rendszerben máshogy telik az idő.
Einstein (1872-1955)
A fényelektromos jelenség Magyarázat: Einstein, 1905 …a fény is kvantált, elemi részecskéje a foton, amelynek energiája (h·f) és lendülete (h/λ) is van. Fényelektromos egyenlete: A kilépő elektronok száma a fény intenzitásától függ ugyan, de az energiájuk a fény színétől. Lénárd Fülöp (1862-1947)
h = 6,63 ·10-34 Js
Részecske-kontra hullámtermészet A fizikusok felfogásának változása az időben a fény és az elektronok esetében. Kettős természet: a fény egyes kísérletekben inkább hullámokra, más kísérletekben inkább részecskékre hasonlít, de egyikkel sem azonosítható. Ami biztos: a kvantumelektrodinamika (QED) törvényei mindig helyesen írják le, de a klasszikus fizikán alapuló modellek néha becsapnak bennünket.
A fény elnyelésével és kibocsájtásával járó elemi atomfizikai folyamatok
koherens fotonok
Ahol E2 − E1 = hν Az első kettőt Bohr fedezte fel (1913), ez az út elvezetett az atomok kvantumelméletéhez Niels Bohr (1885-1962)
az utolsót Einstein fedezte fel ez az út a lézerekig vezetett
Light
fényerősítés a sugárzás
Amplification by
indukált (stimulált)
Stimulated
emissziója által
Emission of Radiation
Lézerek alapfelépítése Tükör (100% visszaverés)
Részben áteresztő tükör (~99% visszaverés)
Külső gerjesztő (energia-) forrás
Erősítő közeg („Amplification/Lasing medium”) Lézersugár
Tükörrezonátor
Lézerek alapfelépítése Erősítő közeg gáz (pl. Ar, Kr, He/Ne, Cd/He, CO2, N2, I2, RgX, HF, ), fémgőz (pl. Cu, Au, Ba), oldat (pl. fluoreszkáló molekulák metanolban), szennyezett kristály (pl. Nd:YAG, Cr:Alexandrite, Ti:Sapphire, Cr:Sapphire (Rubin)) félvezető (GaAs, ZnSe, ….) elektronok (szabadelektron-lézer)
•
Anyaga:
•
Követelmény: Megfelelő energiájú átmenetek (energiaszintek) Populáció inverziót lehessen létrehozni benne ⇒ általában több energiaszintnek van szerepe (lásd három és négy energiaszintű lézerek)
Lézerek alapfelépítése Külső energiaforrás •
•
•
„Formája”:
villanófény (pl. rubin, Nd:YAG), elektromos kisülés (pl. He-Ne, CO2), kémiai reakció másik lézer (pl. festéklézerek, Nd:YAG), … Követelmény: Optikai forrás esetén a fotonok energiája megfeleljen az erősítő közeg gerjesztési energiájának A fluxus elég nagy legyen a populáció inverzió fenntartásához (lásd folytonos vs. impulzus lézerek) Megszabja a lézer teljesítményét (energiamegmaradás!) energiaveszteség legtöbbször hő formájában jelenik meg (⇒ hűtés)
Lézerek alapfelépítése Rezonátorüreg •
Szerepe: kényszeríttet (stimulált) emisszió erősítése (a spontán emisszióval szemben) (a stimulált emisszió során létrejövő foton koherens a „stimuláló” fotonnal”!) állóhullámok létrehozása
m·λ/2=L L
⇒ koherens, kollimált, monokromatikus (intenzív) sugárzás
Lézerek alapfelépítése Rezonátorüreg • Nehézségek: egyéb rezgési módusok megj.: a) keresztirányú módusok („transverse electromagnetic modes”, TEM)
Megfigyelése:
Lézerek alapfelépítése Rezonátorüreg •
Nehézségek: egyéb rezgési módusok megjelenése a) hosszirányú módusok („longitudinal modes”)
⊗ frekvencia
Rezonátorüreg
= frekvencia
Lézernyaláb
intenzitás
Erősítő közeg
intenzitás
intenzitás
Több rezgési módus következménye:
frekvencia
Kihasználás: ultrarövid impulzusok, frekvencia moduláció
Lézerfolyamatok kinetikája Abszorpció E2
Spontán emisszió E2
Stimulált emisszió E2
E1
E1
E1
dφ / dt = B12 N1 ρν
A21 N 2
B21 N 2 ρν
φ(=N/V): foton-sűrűség A21, B12, B21: Einstein-féle koefficensek N1, N2: az alap és a gerjesztett állapotban levő részecskék száma ρν: a sugárzás energiasűrűsége ν frekvenciánál Összefüggések:
E2-E1=h·f
B12=B21 h: Planck-állandó
A21/B21~f3
Lézerfolyamatok kinetikája Az N1
> N2
az általános eset, ez a normál
termikus egyensúlyban mindig ez van, ekkor
populáció
a sugárzás
gyengül (elnyelődik) az anyagban Az N1
< N2
eset csak kivételes körülmények között lehetséges,
ez a populációinverzió
termikus egyensúlyban ez nem fordulhat elő,
ekkor tehát a sugárzás erősödik az anyagban A populációinverzió a lézerműködés elengedhetetlen feltétele !!!
Lézerfolyamatok kinetikája Populáció inverzió megvalósítása: Négy energiaszintű lézerek E4 sugárzásmentes átmenet gyors E metastabilis állapot 3
Lézersugárzás
E2 sugárzásmentes átmenet gyors E1 pl.: Nd:YAG lézer
Energia
gerjesztés
Populáció
Érdekességek Világ legkisebb lézere (Sam McCall, AT&T Bell Labs) 2 μm átmérő és 400 atomnyi vastagság λ = 1,3 – 1,5 μm
1991
Indium-gallium-arsenide semiconductor microdisk
Érdekességek
Miért különleges a lézerfény? • • • •
Nagy teljesítmény Kollimált („párhuzamos” fénynyaláb) Monokromatikus Koherens (elektromágneses sugarak azonos fázisban) • Rövid impulzusok (akár ~ 0,1 fs =100 as!)
⇒ rengeteg alkalmazási terület
A
kollimáltság teszi lehetővé a kiváló fókuszálhatóságot
Érdekesség:
dmin = 2 ⋅ f ⋅Θ0 =
2 ⋅ M ⋅ f ⋅λ ≈λ π⋅ r0 2
minél szélesebb a lézernyaláb, annál párhuzamosabb, tehát annál kisebb foltra fókuszálható
A monokromatikusság kísérleti ellenőrzése
•
λ ϑ
d λ = sin ϑ d A reflexiós optikai rács periodikus szerkezetén a fényhullám elhajlást szenved. (Azaz azokba az irányokba is ϑ van reflexió, amelyekre a szomszédos hullámok útkülönbsége λ.)
A laboratóriumba az ablakokon át beszóródott napfény spektruma. A spektrum burkolója egy kb. 5800 K-es feketetest sugárzáshoz tartozó görbe. De a burkolót megszaggatják mind az ún. Fraunhofer vonalak (ezek a Nap felszínét elhagyó sugárzásban megjelenő elnyelési vonalak), valamint a Föld atmoszférájában lévő gázok által okozott abszorpciók.
Az átlagember szemének relatív érzékenysége
A LED-ek spektruma folytonos, de sokkal keskenyebb az izzó szilárd testek spektrumánál. A LED-ek összetételének, paramétereinek változtatásával megváltoztathatjuk spektrumukat is.
Igen látványos spektrumot kaphatunk abban az esetben, ha a szórt napfény mellett felkapcsoljuk a terembeli világítást. A kisnyomású Hg-lámpákat gyakran fénycsőnek hívjuk, ezekben a csövekben általában két ultraibolya tartományba eső vonal gerjed a 185 nm-es és 257,3 nm-es. Ezeket UV-be eső sugárzásokat konvertálja a fénycső belső falára felvitt fénypor a látható tartományba.
A lézerek különleges fényforrások, mert a spektrumuk egyetlen, igen szigorúan monokromatikus vonalat tartalmaz. A következő ábrákon a He-Ne gázlézer, illetve a frekvencia kettőzött Nd:YAG lézer spektruma látható.
A lézerek felfedezésének története 1916 Albert Einstein: „kvantum átmenetek” (feketetest sugárzás magyarázata, stimulált emisszió alapelve, Einsten-féle A és B koefficiens)
100 éve volt!!! 1928 Rudolph W. Landenburg: Stimulált emisszió („negatív abszorpció”) kísérleti biz. Miért nem találták fel a fizikusok a lézereket már a 30-as években? Mert akkor más érdekelte őket: az atommag. 1946 Felix Bloch, W. W. Hansen, Martin Packard (Stanford University): NMR-kísérlet első publikált populáció inverzió! fizikai Nobel-díj: 1952 1947 Gábor Dénes: holográfia alapelve kivitelezés lézerekkel Nobel-díj: 1971
A lézerek felfedezésének története 1951 Charles H Townes (Columbia University): első MASER (Phys. Rev. 95, 282, 1954, Phys. Rev. 99, 126, 1955.)
MASER: Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (szkeptikus kollegái: Means of Acquiring Support for Expensive Research) 1951 Alexander Prokhorov, Nyikolaj Basov (Lebegyev L., Moszkva): MASER független megalkotása Nobel-díj (1964): Townes, Basov and Prokhorov
A lézerek felfedezésének története 1957 Gordon Gould (Columbia University): a lézerek működési elve („30 éves szabadalmi haború”) LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 1958 Arthur L Schawlow and Charles H Townes (Columbia University): első cikk „optikai” MASER működési elvéről (Phys. Rev. 112, 1940, 1958) 1960 szabadalom 1960 Theodore Maiman (Hughes Research Laboratories): első működő rubin lézer (Nature, 187, 493, 1960)
A lézerek felfedezésének története 1961 Ali Javan, William Bennet Jr., Donald Herriot (Bell Labs.): első He-Ne lézer (Phys. Rev. Lett. 6, 106, 1961) 1961 Columbia-Presbyterian Hospital: első orvosi alkalmazás 1962 Robert Hall (General Electrics): első félvezetőlézer (R. N. Hall, G. E. Fenner, J. D. Kingsley, T. J. Soltys, and R. O. Carlson, Phys. Rev. Lett. 9, 366, 1962) 1964 J. E. Geusic, H. M. Markos, L. G. van Uiteit (Bell Labs.): első Nd:YAG lézer 1964 Kumar N Patel (Bell Labs.): első CO2 lézer 1964 W. Bridges (Hughes Labs.): első argonion lézer 1965 G. Pimentel J. V. Kasper (University of California, Berkley): első kémiai lézer 1966 W. Silfvast, G. Fowles and Hopkins (University of Utah): első fémgőzlézer 1966 P. Sorokin, J. Lankard (IBM Labs.): első festéklézer
50 éve volt!
A lézerek felfedezésének története 1970 Nyikolaj Basov (Lebegyev Lab., Moszkva): első excimer (Xe2) lézer 1977 J. M. Madey (Stanford University): első szabadelektron lézer 1980 Geoffrey Pert (Hull University, UK): röntgen lézerfény generálása 1980 S. Chu, C. Cohen-Tannoudji, W. D. Phillips: atomok lézeres hűtése, fizikai Nobel-díj: 1997 1981 A. Schawlow és N. Bloembergen: fizikai Nobel-díj nemlineáris optikáért és lézer-spektroszkópiáért 1999 A. Zewail (California Institute of Technology) kémiai Nobel-díj kémiai reakciók fs-os lézeres követéséért 2000 Z. Alferov: fizikai Nobel-díj (megosztva) miniatűr félvezetőlézerekért (1963) 2002 K. Tanaka: kémiai Nobel-díj MALDI (Matrix-Assited Laser Desorption/Ionisation)
A „laser” szó előfordulása az American Chemical Society folyóirataiban 40 Összes J. Phys. Chem. Anal. Chem. Env. Sci. Techn. Inorg. Chem. + Organometallics Biochemistry J. Org. Chem. + Org. Lett.
%-os elõfordulás
30
20
10
0
1965
1970
1975
1980
1985
Év
1990
1995
2000
Szilárdtest lézerek Rubin lézer (Cr3+:Al2O3) ill. Nd:YAG lézer yttrium alumínium gránát; Nd3+:Y3Al5O12)
Közös: optikailag pumpált mesterséges egykristály rudak Különbség: háromszintű
négyszintű lézer
Zöld lézer pointer DPSS: dióda pumpált szilárdtest YVO: ittrium vanádium oxid (a YAG helyett) KTP: kálium titanil foszfát (a KDP helyett)
GÁZLÉZEREK Lézeranyag: kis nyomású (néhány mbar) gáz, vagy gázelegy Lézerátmenet: elektronszintek között (UV és látható lézerek) rezgési szintek között (infravörös lézerek) forgási szintek között (távoli infravörös lézerek) Pumpálás: elektromos energiával, gázkisülést létrehozva (optikai pumpálásnak nincs értelme, mert a gázok abszorpciós vonalai keskenyek) Méret: sokkal nagyobbak a szilárdtestlézereknél, mivel kisebb a lézeraktív anyag koncentrációja. Például: He-Ne lézer ~ 1021 molekula/m3 Nd-YAG lézer ~ 1025 - 10 26 Nd-ion/m3
Hélium-neon lézer
Lézeranyag: ~10:1 arányú He/Ne elegy, össznyomás ~1-2 mbar A lézerátmenet a Ne atomoktól származik, a He segédanyag
Argon(ion)lézer A lézersugárzás az Ar+ ionoktól származik! („Argonion”lézer) Lézer közeg: ~0,5 torr nyomású Ar-gáz, kisülési csőbe töltve Kisülésben
- gerjesztett molekulák - alapállapotú ionok - különböző gerj. áll. ionok
}
jönnek létre (plazma)
A kisülési cső működési jellemzői: áramerősség, feszültség, nyomás, hőmérséklet - ezektől függ az Ar+ ionok populációja különböző energiaszinteken. Inverz populáció érhető el az Ar+ ion egyes gerjesztett állapotaiban, náluk kisebb energiájú gerjesztett állapotokhoz képest.
diszperziós elem
- +
katód
500V, 60A
anód
kilépő tükör R=98%, T=2%
végtükör R=100%
Az argonion lézer működése
CO2-lézer Lézer közeg: ~ 1:1 arányú CO2-N2 elegy zárt változat: - ~10 torr nyomású gáz zárt kisülési csőben nyitott változat - ~ atmoszférikus nyomású gáz nyílt kisülési csőben
A CO2-molekula normál rezgései szimmetrikus nyújtás
O
C
O
deformáció
O
C
aszimmetrikus nyújtás
O
O
C
O
v1 v2 v3 A három normálrezgés gerjesztettségét jellemző kvantumszámok.
A CO2 és a N2 rezgési-forgási szintjei • A N2 segédanyag. • A rezgési szintekre forgási szintek szuperponálódnak. • A lézer átmenet a CO2molekula gerjesztett rezgési-forgási állapotai között történik, ezért infravörös (távoli IR) fényt ad.
Hétköznapi lézerek A CD lemez
Optikai jelátvitel
Lézeres sebességmérés (autóké, lézerimpulzus sorozatokkal)
Új „barátunk” az ARH CAM-S1
905 nm hullámhosszú, impulzus üzemű félvezető lézer (dióda) PLD
Holográfia 1947 Gábor Dénes: holográfia alapelve kivitelezés lézerekkel Nobel-díj: 1971
• Nem ez a holográfia!
Hologram készítése: a kettéosztott lézersugár egyik fele a tárgyon szóródik, a szóródott lézerfény a fotolemezen találkozik és interferál a másik féllel, a referencia sugárral.
Síkhologram rekonstrukciója: az előhívott fotolemezt az eredeti lézernyalábbal megvilágítva azon a tárgy térbeli képe megjelenik
Lézeres vágás és hegesztés Nd:YAG
CO2
Rövid fényimpulzusokkal nagyon határozott, jól definiált alakzatokat lehet kialakítani
Lézeres áramlásmérés LDA: Laser Doppler Anemometry
A névadó: Christian Doppler (Salzburg, 1803. november 29. – Velence, 1854. március 17.) műegyetemi tanár 1837-től a prágai műegyetemen tanított; 1847. október 23-tól a selmeci magyar királyi bányász-akadémián a mennyiségtant, természettant és erőműtant adta elő 1849-ig. Ezután a bécsi császári és királyi műegyetem tanára volt.
Lézeres áramlásmérés LDV: Laser Doppler Velocimetry PDV: Planar Doppler Velocimetry
Lézerinterferometrikus mozgásanalizátor Pontosság: λ/8 < 0,1 μm
interferencia 6m.wmv
LIDAR (Light Detection And Ranging)
A WTC „ground zero” LIDAR 3D képe (2001.09.27.)
Vízmélységek mérése LIDAR-ral
Használhatják továbbá pl. - elektromérnökök (távvezetékek belógásának távmérése) - környezetmérnökök (szennyeződések terjedésének távmérése vízben) - agrármérnökök (a vegetáció fejlődésének távmérése)
A leghíresebbek…. • A legnagyobb… • Az év sztárja… • A szegedi szuperlézer…
Lézerek az ICF-ben HALNA (High Average-power Laser for Nuclear Fusion Application) at ILE, Osaka University
A legnagyobb… National Ignition Facility (NIF), Lawrence Livermore National Laboratory LLNL
120 yard
160 yard
7500 darab 2 méteres villanólámpával (amelyeket hatalmas kondenzátorokkal táplálnak ) gerjesztett üvegbe ágyazott Nd atomok koherens sugárzása erősíti az eredeti gyenge, 192 részre osztott lézerimpulzust. Végül a 192 nyaláb mindegyike 20000 J impulzusenergiájú lesz. A lézerimpulzusok hossza 1 ns, amelyek 20 ps-on belül, 50 μm pontossággal érkeznek a céltárgyra.
Lézerek a jobb oldalon (2×12×4 = 96 db)
KDP (kálium dihidrogén foszfát) kristályokkal teszik át a lézerfényt az infravörösből az ultraibolyába
Számítógéppel vezérelt deformálható tükrökkel fókuszálják a lézernyalábokat
A 192 lézernyalábot a targetkamrában lévő céltárgyra vezetik
De mire „lőnek” a lézerrel? Hát nehézhidrogénre (D+T) A hidrogén target a „lövés” után maximum 100 millió fokos, a nyomása egymilliárd atmoszféra. Ekkor a hidrogén százszor sűrűbb az ólomnál.
Ezt csak úgy érhetjük el, ha kezdetben a hidrogén folyékony, azaz a hőmérséklete kb. -250 °C-os
De minek?... Hogy létrejöjjön a magfúzió Könnyű atommagok egyesülnek egy nehezebb atommaggá Hatalmas energia szabadul fel Atommagok taszítása
Ennek legyőzéséhez magas hőmérséklet (~100000000 °C) szükséges. Ezt semmiféle anyag nem bírja ki
Inerciós fúzió (ICF)
Mágneses fúzió (MCF) (Dobróka)
ICF = Inertial Confinement Fusion MCF = Magnetic Confinement Fusion
Lawson kritérium
n·τ ≥1020 sm−3
A NIF lézernyalábjai elérik a deutériumtrícium céltárgyat
A tervezett energiamérleg
Sajnos bizonyos instabilitások miatt a NIF program egyelőre nem sikeres.
• Jelenleg az anyagtudomány használja a világ legnagyobb
lézerét: az anyag viselkedését lehet tanulmányozni az atombomba közepén úgy, hogy nem is robbantunk atombombát…
De az ICF-es fúziós erőmű még nincs belátható közelségben •
Az év sztárja…
LIGO: Laser Interferometric Gravitational (Wave) Observation Kobinált Michelson és Fabry-Perot interferométer 4 kmes karokkal
Livingston, USA
Nd:YAG lézer (λ=1064nm)
A Fabry-Perot interferométer nagy reflexióképességű tükre „beélesíti” az interferenciát
A 4 km-es interferométer karok vákuumcsőben futnak D=1,2 m; d=3 mm Teljes térfogat kb. 10000 m3, végvákuum 10-9 mbar A végvákuum 40 napnyi szívás után érhető el Kifűtés 150-170 oC-on
A kis nyalábdivergenciát széles hullámfrontokkal érik el. Egyetlen porszem is galibát okozhat.
Vékonyréteg technológiával készült precíziós zárótükrök.
Mit lehet velük mérni? Gravitációs hullámokat Egymásba zuhanó fekete lyukakból vagy közeli szupernova robbanásokból
Crab nebula, SN 1054, 6500ly
A (szegedi) szuperlézer •
Az Extreme Light Infrastructure (ELI) egy tervezett európai uniós „kutatási nagyberendezés”, ami nagy energiájú lézerekkel foglalkozna. A létesítmény exawatt-osztályú (1018 wattos) lézerével a relativisztikus hatások figyelembe vételével 1023 W/cm2 intenzitás is elérhető majd, ami a 2010ben létező legnagyobb lézernél három nagyságrenddel nagyobb teljesítménysűrűséget jelent.
•
Az Irányító Testület 2009. október 1-jén, Prágában úgy döntött, hogy Csehország, Magyarország és Románia közösen valósíthatja meg az ELI elosztott infrastruktúráját. Ez az első alkalom, hogy egy nagy, közös kutatóintézet új EU-tagországokban épülhet meg.
•
A három tagországnak 2015 végére kell létrehozni a tudományos projekt három pillérét: az attoszekundumos impulzusokkal Magyarországon (Szegeden) foglalkoznak, a nagy teljesítményű másodlagos forrásból történő, másodpercenként akár tízszer „tüzelő” beamline Csehországban, Prágában épül majd, Romániában, Bukarestben pedig fotonukleáris kutatóközpont épülne, a nagy teljesítményű lézerek magfizikai alkalmazásainak vizsgálatára.
Fizika A csúcsteljesítmény 1018 W lesz. Magyarország elektromos energia termelése max. kb. 5 ·109 W, a világé is csak 1012 W nagyságrendű. Hogy is van ez??? Ez a teljesítmény csak kb. 100 as-ig (10-16s) fog fennállni, és mondjuk másodpercenként 100 impulzus lesz, az átlagteljesítmény mindössze 10 kW lesz. A vizsgált jelenségek szempontjából csak a csúcsteljesítmény számít! Ha a csúcsteljesítmény (1018 W) egy másodpercig fennállna, az valóban elegendő lenne egész Szeged megolvasztására.
Fizika Nehéz 100 as (10-16s) elképzelése is!!! A híres alma átlövéses kísérlet expozíciós ideje 10-6 s lehet
Ennél 10 milliárdszor rövidebb időről van szó. Ez alatt a fény
csak néhány atomnyi távolságra jut el (a hajszál vastagságának ezredrészére). Ilyen expozíciós idő kell az atomi elektron „mozgásának” (pl. egy kémiai kötés kialakulási folyamatának) a „lefényképezésére”. Nehezebb megmérni, mint létrehozni (Krausz Ferenc).
A szegedi szuperlézer épületei ELI ALPS Attoseconds Light Pulse Source
2014: földmunkák, alapozás
A dolgok állása 2015 őszén
A szegedi szuperlézer Kulcsszavak a működési elvhez: • Módus szinkronizáció • Csörpölés • Magas felharmonikus keltés
A szegedi szuperlézer Mindhárom fő lézerforrás egyedülálló paraméterekkel – extrém sávszélességgel, az előállított tér ciklus alatti fáziskontrolljával, nagy ismétlési frekvenciával – rendelkezik. Ehhez járul még a csúcstechnológiát képviselő, dióda-alapú szilárdtest lézerrel pumpált, optikai parametrikus csörpölt impulzuserősítés (OPCPA) nagymértékű használata. A SYLOS és a HR lézerek keresztpolarizált hullámmal való nemlineáris szűrést és az üreges optikai szálban történő impulzuskompressziót alkalmazó két erősítő-fokozatot tartalmaznak.
Az ELI-ALPS főbb kutatási és alkalmazási területei Vegyérték-elektron vizsgálatok Az ELI-ALPS által biztosított extrém-ultraibolya és röntgen források segítségével a kémiai reakciók végbemeneteléért felelős vegyértékelektronok tanulmányozása révén új kutatási lehetőségek nyílnak majd meg az atomokon és molekulákon belüli folyamatok nagy időfelbontású vizsgálata területén. Atomtörzsi-elektron vizsgálatok Jelenleg a belső elektronhéjak részletesebb vizsgálata csak nagy fotonenergiájú sugárzást kibocsátó szinkrotron forrásoknál kivitelezhető, de itt is csak limitált időbeli feloldással és koherens jelleg nélkül. Az ELI-ALPS fényforrásainak egyedülálló kombinációjával lehetőség nyílik majd a törzselektronok dinamikájának attoszekundumos léptékű követésére.
4D képalkotás Az atomok, molekulák, kristályok és nanostruktúrák egyaránt atommagokból és elektronokból épülnek fel. Ezen részecskék térbeli (3D) elrendeződése határozza meg az anyag szerkezetét és alapvető tulajdonságait. Ha a rendszert gerjesztik, akkor a válaszreakció jellege és lefolyása időben (1D) és térben (3D) leképezhető lesz. Relativisztikus kölcsönhatások A nagyintenzitású lézerimpulzusok (TW, PW) anyaggal való kölcsönhatása jellemzően atomi léptékű (femtoszekundumos, attoszekundumos) időskálán megy végbe. Ezen folyamatok vizsgálatához nagyintenzitású lézerimpulzusokra és ezekhez szinkronizált attoszekundumos próbaimpulzusokra van szükség. A szegedi ELI-ALPS létesítmény lehetővé teszi például a lézeres részecskegyorsítás vagy a nemlineáris kvantum-elektrodinamika tanulmányozását is.
Az elektron „szörföl” a plazmában lézerrel létrehozott hullámokon
Biológiai, orvosi és ipari alkalmazások Az ELI-ALPS nagy fényességű, nagy ismétlési frekvenciájú, extrém rövid lézeralapú röntgen impulzusok létrehozására lesz képes. A létesítmény jellegéből adódóan új kutatási területek nyílnak majd meg, és új megközelítési formák válnak majd megvalósíthatóvá. A lehetséges alkalmazási területek között szerepel többek között az orvosbiológia, a kémia, az éghajlattan, az energetika, anyagtudományi fejlesztések, a félvezetők, az optoelektronika és még számos terület.
