Základy fyziky laserového plazmatu Lekce 1 - lasery
Co je světlo a co je laser? • Laser (akronym „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ – česky zesilování světla stimulovanou emisí záření) • Je to optický zdroj elektromagnetického záření (což je světlo v širším slova smyslu) a má následující důležité vlastnosti: • Je vyzařováno ve formě úzkého svazku • Je monochromatické (tzn. česky má jednu barvu) • Je koherentní
laser vs. obvyklý zdroj světla laser – kvazimonochromatický (jednobarevný), koherentní (nerozbíhavý) zdroj světla
Další vlastnosti las. záření • Monochromatičnost všechny vlny mají stejnou vlnovou délku • Koherentnost vlny mají stejnou fázi
Elektromagnetické záření • Světlo má dvojí povahu - dualita • Částicovou – fotoelektrický jev (částice světla – fotony, mají danou energii E a hybnost p) Záření má hybnost - existuje tlak záření (hybnost za sekundu na jednotku plochy)
Elektromagnetické záření • Světlo má dvojí povahu – dualita • Vlnovou – štěrbinový experiment (elektromagnetické vlny mají vlnovou délku λ=h/p a frekvenci ν=E/h)
Vlnová délka – prostorové měřítko lasery Titan:safír 800 nm
Délka pulsu – časové m. • Lasery – periody řádu jednotek fs (2.7 fs) • 1 fs je stejná část minuty jako minuta část věku vesmíru • Pulzní lasery – délka pulsů ns-ps, v posledních 20 letech i desítky fs
Délka pulsu – časové m. • Dnes nejkratší laserové pulzy 5 fs (2 periody) • Kratší pulzy lze složit z mnoha pulsů – HHG • 1 ns puls → 30 cm balík fotonů, 1 fs puls → 0.3 μm balík fotonů
Energie, výkon • Energie fotonu jednotky eV (1.55 eV), 1019 fotonů na J. • Největší dosažená energie laserového pulsu – 26 kJ. • Kinetická energie náboje vystřeleného z pušky M16 – 1.8 kJ. • Laser NIF se 192 laserovými svazky má cca 1.8 MJ. • Pro srovnání přibližná nutriční hodnota tyčiny Snickers 1.2 MJ. • Průměrná energie blesku 1 GJ.
Energie, výkon • Krátká doba trvání - vysoký výkon i při nízké energii. • Např. 10 mJ / 10 fs = 1 TW (1000 bloků Temelína z laseru na větším stole!) • Dnes lasery o výkonu 1 PW. • Tepelný výkon Golfského proudu 1.4 PW.
Energie, výkon • V ELI – Beamlines lasery o špičkových výkonech až 10 PW! • Fokusace do oblasti několika μm2 - 1024 W/cm2. • Materiál se začíná odpařovat při 1013 W/cm2 (u krátkých fs pulsů, u delších pulsů stačí 109 W/cm2). • Na zemi je intenzita slunečního světla 0.1 W/cm2. • ELI je veškerý vyzářený výkon slunce (tj. cca 1026 W) v ploše 10 x 10 cm!
Trocha historie • Princip laseru fyzikálně – 1917 Albert Einstein. • Předchůdcem laseru maser, stejný princip, ale generuje mikrovlnné záření. • 1957 Ch. Townes a A. L. Schawlow v článek ve Physical Review o konstrukci infračerveného a optického maseru (čili laseru). • 1957 Gordon Gould v doktorské práci koncept laseru – oficiálně považován za vynálezce. • 1960 první funkční laser Theodore Maiman.
Kvantová mechanika • světlo (elektromagnetické záření) má současně vlnový i částicový charakter • fotony – kvanta elektromagnetického záření
• kvantování energie atomu – elektrony se mohou vyskytovat pouze na určitých energetických hladinách • nelze přesně určit současně polohu a hybnost částice – Heisenbergova relace neurčitosti
Generace laserového záření
Generace laserového záření
Generace laserového záření
helium-neonový plynový laser • plynná směs helia a neonu (20:80)
He-Ne laser energie excitovaného stavu atomu helia E3=20.61 eV téměř shodná s energií hladiny E2=20.66 eV pro neon
polovodičové lasery • využívají přechodu elektronů z vodivostní do valenční vrstvy, u některých polovodičů vede k vyzařování fotonů
polovodiče typu (a) N, (b) P
místo zrcadel se využívá protilehlých rovin krystalu u p-n přechodu
Generace fs pulsů • Aktivní médium striktně monochromatické – může vyzařovat určité pásmo frekvencí. • V rezonátoru - stojaté vlny.
Generace fs pulsů • Snaha sladit v určitém časovém okamžiku působení jednotlivých módů rezonátoru tak, aby každý přispíval svým maximum. • Nejednotnost – průměrné výkony • Synchronizovanost – vysoké špičkové výkony
vzdálenost od ohniska, na které je plocha průřezu laserového svazku zdvojnásobena
Zesilování – nanosekundové pulzy
Zesilování fs pulzů
Zesilování fs pulzů CPA = Chirped Pulse Amplification
Zesilování fs pulzů – CPA a OPCPA • v rezonátoru generován pouze slabý fs pulz – energie v µJ • tento pulz je nejprve mnohokrát prodloužen v prostoru (CPA) a pak dále zesilován • zesilování pulzu při průchodu excitovaným krystalem (médiem) použitým v rezonátoru (využití stimulované emise – „standartní“ CPA) • pro zvýšení efektivity několikanásobný průchod zesilovacím médiem • OP(CP)A – optical parametric amplification – zesílení v krystalu pomocí čerpacího laseru
Zesilování fs pulzů - OPCPA • frekvence čerpacího pulzu je nejprve zdvojnásobena při průchodu krystalem (druhá harmonická frekvence) a následně tento pulz interaguje v dalším krystalu, kde předá velkou část své energie pulzu o nižší frekvenci, který chceme zesílit • zde se jedná o přechody na virtuálních energetických hladinách ve speciálních krystalech
Vývoj intenzity
• Schwingerův limit • Radiační útlum • Relativita • Ionizace polem
Největší fs lasery ve světě VULCAN Laser
Texas Pet awat t
RAL ST FC, UK (1 PW, 500 J/ 500 fs, 1054 nm)
Uni. of Texas, USA (1 PW, 185 J/ 130 fs, 1054 nm)
Osaka PW module
GIST -APRI Pet awatt
Uni. of Osaka, Japan (1 PW, 500 J/ 500 fs, 1053 nm)
Apri, South Korea (1 PW, 32 J/ 30 fs, 800 nm)
Největší laser na světě dnes • NIF – National Ignition Facility • Vybudován v Livermoru v Kalifornii v USA za 4.2 miliardy $ • 192 svazků o energii 10 kJ každý, celkový výkon 0.5 PW • Primární určení inerciální fúze, dále vojenský a vědecký výzkum
Největší lasery v ČR • PALS = Prague Asterix Laser System – přivezen z Garchingu • 1 kJ 400 ps (2.5 TW) jódový fotodisociační (1.3 μm), 5×1016 W/cm2
