ČR v Olomouci Miroslav Hrabovský

Transkript

1 SPOLEČNÁ LABORATOŘ OPTIKY Univerzity Palackého a Fyzikálního ústavu Akademie věd České republiky Tř. 17.listopadu 50a, Olomouc Tel.: , Fax: , miroslav.hrabovsky@upol.cz Učená společnost ČR v Olomouci 16. záříz 2008 Miroslav Hrabovský

2 Historie Laboratoře e optiky v Olomouci Ústav technické optiky ČVUT v Praze, J.Hrdlička Laboratoř optiky ČSAV v Praze, B.Havelka 1961 Katedra jemné mechaniky a optiky, E.Keprt; nyní: katedra optiky PřF UP Laboratoře optiky v Olomouci, neformálně na katedře teoretické fyziky a astronomie PřF UP, B.Havelka 1965 Laboratoř optiky v Olomouci, začlenění do struktury UP, B.Havelka 1984 smlouva UP a ČSAV (FZÚ ČSAV) - vznik Společné laboratoře optiky UP a FZÚ AV ČR, J.Peřina nová smlouva mezi UP a FZÚ AV ČR -reorganizace personální, sekce optiky FZÚ AV ČR -reorganizace odborné náplně v sekci optiky 1997 nová budova Laboratoře optiky v Olomouci; FZÚ, UP, J.Jařab 2002 převedení SLO z rektorátu UP do organizační struktury PřF UP, katedra SLO UP a FZÚ AV ČR na PřF UP

3 SPOLEČNÁ LABORATOŘ OPTIKY UP a FZÚ AV ČR, OLOMOUC Optika v Olomouci Univerzita Palackého v Olomouci Fyzikální ústav AV ČR, v.v.i. Přírodovědecká fakulta Sekce optiky Katedra exp. fyziky Katedra optiky Společná laboratoř optiky UP a FZÚ AV ČR Oddělení vícevrstvých struktur Oddělení aplikované optiky Oddělení nízkoteplotního plazmatu Oddělení konstrukce a mechanických dílen

4 SPOLEČNÁ LABORATOŘ JOINT LABORATORY OPTIKY UP a OF FZÚOPTICS, AV ČR, OLOMOUC 1997 budova Laboratoře optiky

5 Odborné zaměř ěření Laboratoře e optiky Základní a aplikovaný výzkum v oborech: - kvantová, nelineární a statistická optika - klasická optika - vlnová optika a holografie - aplikovaná optika - stavba přístrojů a zařízení na bázi optiky, optoelektroniky a jemné mechaniky - optické a laserové technologie

6 SPOLEČNÁ LABORATOŘ OPTIKY UP a FZÚ AV ČR, OLOMOUC Aktivity v kvantové optice ( ) ( 2008 Kvantová kryptografie Kvantový generátor náhodných n čísel Jednofotonová interferometrie Generace a manipulace s korelovanými páry p fotonů Multiplexní detektory založen ené na vláknových smyčkách Korelace v počtech fotonů a prostorové korelace v kvantových optických polích ( iccd ) Kvantová informace, klonování Fotonické krystaly (většinou ve spolupráci s katedrou optiky PřF ( UP

7 JOINT LABORATORY OF OPTICS, OLOMOUC SPOLEČNÁ LABORATOŘ OPTIKY UP a FZÚ AV ČR, OLOMOUC Kvantová kryptografie Zahájena v roce 1995 Protokol BB84 na nm Chybovost < 0.3% Kvantový identifikační systém (originální ( protokol Teorie: Bezpečnost a zlepšen ení parametrů pomocí korelovaných párůp fotonů

8 SPOLEČNÁ LABORATOŘ JOINT LABORATORY OPTIKY UP a OF FZÚOPTICS, AV ČR, OLOMOUC Kvantový generátor náhodných n čísel detektor B detektor A

9 Zdroj s potlačenými fluktuacemi v počtu fotonů Není snadné vytvořit jednotlivé fotony! Zeslabené optické pulsy mohou obsahovat i žádný nebo naopak více než jeden foton. Využíváme toho, že entanglované fotony vznikají vždy v párech a vybíráme jen jednofotonové události.

10 Korelované páry fotonů UV laser nelineární krystal dvojice IR fotonů Dvojice fotonů vzniká současně a tvoří tzv. entanglovaný stav

11 nelineární krystal Kvantová nelokalita Způsobení interference na dálku úzký frekvenční filtr UV laser τ > τ coh Vložení úzkého frekvenčního filtru do dráhy jednoho člena korelovaného páru fotonů indukuje vznik interferenčního obrazce v interferometru umístěném v dráze druhého svazku.

12 SPOLEČNÁ LABORATOŘ JOINT LABORATORY OPTIKY UP a OF FZÚOPTICS, AV ČR, OLOMOUC (1998 ) Korelované páry fotonů Experimentální ověření korelací v energii pomocí kvantově provázaných párů fotonů Prodloužení koherenční délky jalového fotonu pomocí postselekce (filtrace) v signálovém svazku

13 (2001 ) druhá laboratoř CW LAB Diskriminace kvantových stavů Klonování Kvantová hradla fs LAB Čítání fotonů Prostorové korelace Fotonické krystaly

14 SPOLEČNÁ LABORATOŘ JOINT LABORATORY OPTIKY UP a OF FZÚOPTICS, AV ČR, OLOMOUC Smyčkový detektor Dělení svazku do několika drah (časových ( oken Snadné,, levné,, nízkn zké ztráty ty Omezený počet kanálů,, nevyvážen ené Do jisté míry laditelné input state 10 0 Probability of detection m delay loop variable ratio coupler connector APD O. Haderka,, M. Hamar,, J. Peřina Jr., EPJD 28,, 149 ( 2004 ) Time Delay after start pulse [ns]

15 Masivně multikanálový lový detektor - iccd Fotokatoda Fluorescenční obrazovka Vláknová optika Mikrokanálková destička CCD Velký počet kanálů Nanosekundová závěrka Nízká kvantová účinnost Nízká opakovací frekvence Bonus: prostorové rozlišení Mikrokanálek

16 Vlnová a aplikovaná optika netradiční metody optického zobrazení a studium šíření elektromagnetického záření v korelaci s kvantově optickým přístupem holografie, holografická interferometrie, speckle holografie jako zobrazovací a měřicí metody, interferometrie v bílém světle aplikace: holografie a holografické metody, klasická optická interferometrie, optická difrakce a moiré interferometrie v mechanice kontinua (včetně studia časově proměnných jevů), nedestruktivní bezdemontážní diagnostika strojů a zařízení, aplikace v průmyslu a medicíně, obrazová analýza apod. stavba unikátních přístrojů a zařízení pro vědu a výzkum, mezioborové aplikace, aplikace v průmyslu rozptyl záření a interakce záření s pevnou fází; nanomateriály a nanostruktury v optice, případně aplikace na diagnostiku kinematických a materiálových vlastností látek

17 Aplikovaná optika, stavba přístrojů a zařízení metody návrhů a výpočtů tradičních a především netypických optických prvků a soustav návrh, výpočet, experimentální ověření a realizace optických tenkých vrstev lasery a prvky laserů s velkými výkony a jejich aplikace (laser processing) detekce a počítačová analýza obrazu, vývoj metod až do stádia technické realizace a rutinní aplikace optická metrologie (částečně) detekce a počítačové zpracování optického signálu pro základní výzkum i aplikace aplikace optických metod při stavbě unikátních přístrojů a zařízení na bázi optiky -přístroje a zařízení (příklady): holografické nedestruktivní analyzátory vad pneumatik laserový metrologický analyzátor průmyslových sít (20µm-2mm) laserový řídící systém (pro řízení provozu stavebních a důlních strojů) netypické optické prvky a soustavy optický elipsometr s rotujícím analyzátorem pulsní laserová stomatologická vrtačka (ve spolupráci s FJFI ČVUT), aplikace též pro dermakologii laserové vrtání a rozrušování stavebních materiálů optické prvky pro Čerenkovské a fluorescenční detektory kosmického záření (programy CAT stříbrná medaile Fr. Akademie věd za r. 1998, CELESTE Francie; The Pierre Auger Observatory) optické boroskopy jiné.

18 Interferogram pneumatiky s vadou v kordové vrstvě

19 Interferogram deformované lopatky regulačního diagonáln lního čerpadla 1400 BQDV

20 Z 1 D λ/2 Z W 2 Z 3 Z 5 OD LASERU O 4 Schéma holografické sestavy pro záznam z znam a rekonstrukci dvourozměrn rného teplotního pole λ/2 W 1 Z 2 O 1 M Z 4 P x H y z (a) y/h 0,80 (b) 0,60 Z 2 O 1 O 2 P M H 0,40 P (c) 0,20 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 x/d Z 2 O 1 O 2 O 3 M H y T T T H C T C 1,00 0,80 T H 0,60 Interferogram teplotního pole v okolí vodorovného válce; v (a)-δt=14,0 T=14,0 C, (b)-δt=40,4 T=40,4 C h T C d g x 0,40 0,20 0,00 0,20 0,40 x/d 0,80 0,60 0,60 0,40 0,80 0,20 y/h 1,00 Interferogram teplotního pole v uzavřen ené spáře e při p i volné konvekci; ΔT=70,3 C; GrPr=1, ; d=27.5mm

21 Laserová interferenční anemometrie uu

22 Laserová interferenční anemometrie RYCHLOSTNÍ POLE ZA RADIÁLN LNÍM M OBĚŽ ĚŽNÝM KOLEM ČLÁNKOVÉHO ČERPADLA 4ms -1

23 Laserová interferenční anemometrie RYCHLOSTNÍ POLE V KANÁLE PŘEVP EVÁDĚČE SPOLEČNÁ LABORATOŘ OPTIKY UP a FZÚ AV ČR, OLOMOUC Zkušebn ební rotočerpadlo - model 150-CHM CHM- ROTO Q=0,45Q opt (15 ls - 1 ) Q=Q opt (33,7 ls - 1 ) Q=1,19Q opt (40 ls - 1 )

24 Moiré topografie hydraulický model lopatky regulačního diagonáln lního čerpadla BQUV

25 Koherenční zrnitost (spekl) I ( X, Y ) C ( X, Y ) = I( X, Y ) I ( X + X, Y + Y ) 1 ( X Y ) I ( X, Y ) I, 2 C 12 ( X, Y ) = I1( X, Y ) I 2 ( X + X, Y + Y )

26 Koherenční zrnitost (spekl) SPOLEČNÁ LABORATOŘ OPTIKY UP a FZÚ AV ČR, OLOMOUC

27 Koherenční zrnitost (spekl)

28 Měření chvění o frekvenci 100 Hz Měření chvění o frekvenci 19,6Hz + 39,2Hz + 58,8Hz Časový průběh výchylky kmitu Časový průběh výchylky kmitu Okamžitá hodnota výchylky v μm ,013 0,026 0,039 0,052 0,065 0,078 0,091 0,104 0,117 Okamžitá hodnota výchylky v μm ,039 0,078 0,117 0,156 0,195 0,234 0,273 0,312 0, Čas v s Čas v s Fourierova analýza Fourierova analýza Normované energetické spektrum 1,0 0,8 0,5 0,3 0,0 0,0 33,3 66,7 100,0 133,3 166,7 Normované energetické spektrum 1,0 0,8 0,5 0,3 0,0 0,0 19,6 39,2 58,8 Frekvence v Hz Frekvence v Hz Sestava: L p = 21 cm, θ o = 24, ohnisková vzdálenost čočky f = 1,996 cm Sestava: L p = 31,2cm, θ o = 20, ohnisková vzdálenost čočky f = 1,996 cm

29 White-light interferometry experimental setup measured height profile white-light correlogram P.Pavlíček, O.Hýbl

30 T.Rössler, D.Mandát, M.Pochmon SPOLEČNÁ LABORATOŘ OPTIKY UP a FZÚ AV ČR, OLOMOUC

31

32

33 Laserové technologie H.Chmelíčková, H.Lapšanská, M.Havelková

34 G.Ivanov, M.Čepl, A.Kratochvil, L.Kocian SPOLEČNÁ LABORATOŘ OPTIKY UP a FZÚ AV ČR, OLOMOUC

35 The Pierre Auger Observatory provincie Mendoza, Argentina

36 Projekt CAT, Francie

37 Nepřímá detekce kosmického záření Primární kosmická částice kaskáda sekundárních částic - fluorescence excitovaných molekul - Čeronkovovo brzdné záření - na zem dopadající sekundární částice atmosférické spršky + P.Schovánek, M.Palatka, M.Pech, D.Mandát, L.Nožka, T.Rössler, L.Kocian, St.Fešar, J.Vančura, J.Zatloukal, M.Marek, E.Paličková, M.Baďurová

38 Observatoř Pierre Auger (největší observatoř tohoto typu na světě) Fluorescenční detektory - 4 budovy, každá se 6 optickými teleskopy Povrchové detektory barelů, 1.5 km rozestup SPOLEČNÁ LABORATOŘ OPTIKY UP a FZÚ AV ČR, OLOMOUC Colorado USA ( budoucnost ) Malargüe, Province Mendoza, ARGENTINA km 2

39 Fluorescenční detektor Zdroj - jako dráha průletu meteoru ale mnohem rychlejší a slabší ( CCD Detektor - vysoce citlivý matice fotonásobičů (obdoba ( apertura Teleskop - velká sběrná plocha ( - velké úhlové zorné pole VYSOCE SVĚTELNÝ OPTICKÝ SYSTÉM

40 Rozmístění fluorescenčních detektorů Celkem 4 observatoře se 6 teleskopy pozorují oblohu od obzoru do km 2 Každý teleskop má zorné pole 30 x 30. Rozmístění observatoří umožňuje současné stereo pozorování stejné spršky. 180

41 Neobvyklý optický systém Do místa vstupní apertury je umístěn korekční člen ve tvaru mezikruží. Jde o určitou modifikaci Schmidtova teleskopu. Tento optický člen nekoriguje velikost obrazu bodu, ale zvětšuje přibližně 2x světelnost optické soustavy. Poloměr křivosti zrcadla R = 3400 mm Zakřivení kamery PMT R c = 1742 mm zorné pole FOV = 30 x 30 C V naší laboratoři byl navržen optimální tvar korekčního členu, usnadňující jeho realizaci. f no ~ 0.77 M.Palatka, P.Schovánek

42 Fluorescenční teleskop ( model + realizace) 60 hexagonálních zrcadel ( SLO (vyráběny v Plocha primárního zrcadla ~ 3600 mm x 3600 mm

43 Nepravidelná hexagonální zrcadla pro FD odrazivost ~ 90 % poloměr křivosti zrcadla R = 3400 mm ; průměr opsané kružnice ~ 600 mm; tloušťka ~ 15 mm SPOLEČNÁ LABORATOŘ OPTIKY UP a FZÚ AV ČR, OLOMOUC

44 Zobrazení fluorescenčního záblesku Korekční prstenec 24 segmentů Kamera - matice 440 PMT Obraz spršky na kameře

45 Monitorování atmosféry - Lidar Sledování útlumu fluorescenčního záření pomocí měření pružného rozptylu na částicích atmosféry. SPOLEČNÁ LABORATOŘ OPTIKY UP a FZÚ AV ČR, OLOMOUC Původní lidar se sadou menších zrcadel. P.Schovánek, M.Pech, M.Palatka Lidarové segmentované zrcadlo nově navržené v SLO Průměr 1000 mm; f = 1100 mm

46 Laboratorní simulace atmosférické fluorescence ( observatoře Projekt AIRFLY (doprovodný projekt AUGER Fluorescence atmosférického dusíku. 337 nm 357 nm 313 nm 391 nm Studium podrobné závislosti na tlaku, teplotě, vlhkosti, stanovení absolutního fluorescenčního zisku aj. pomocí částicového svazku generovaného urychlovačem ve Frascati ( Itálie). L.Nožka, P.Schovánek, M.Palatka

47 Zrcadla pro CERN měření doby života pionových atomů Součástí spektrometru DIRAC v CERNu jsou čerenkovské detektory. Jejich součástí jsou také 4 členné zrcadlové členy, fokusující vygenerované záření na fotodetektor. Zrcadla byla navržena a vyrobena ve SLO. DIRAC II Čerenkovské detektory P.Schovánek, M.Palatka, M.Pech, D.Mandát, L.Nožka

48 Blízk zká budoucnost View of the ATLAS detector (under construction) 150 million sensors deliver data 40 million times per second

49

50