Základy fyziky laserového plazmatu. Lekce 1 -lasery

Transkript

1 Základy fyziky laserového plazmatu Lekce 1 -lasery

2 Co je světlo a co je laser? Laser(akronym Light Amplification by Stimulated EmissionofRadiation 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

3 laser vs. obvyklý zdroj světla laser kvazimonochromatický (jednobarevný), koherentní (nerozbíhavý) zdroj světla

4 Další vlastnosti las. záření Monochromatičnost všechny vlny mají stejnou vlnovou délku Koherentnost vlny mají stejnou fázi

5 Elektromagnetické záření Světlo má dvojí povahu - dualita Částicovou fotoelektrický jev (částice světla fotony, mají danou energii Ea hybnost p) Záření má hybnost- existuje tlak záření(hybnost za sekundu na jednotku plochy)

6 Elektromagnetické záření Světlo má dvojí povahu dualita Vlnovou štěrbinový experiment (elektromagnetické vlny mají vlnovou délku λ=h/p a frekvenci ν=e/h)

7 Vlnová délka prostorové měřítko lasery Titan:safír 800 nm

8 Délka pulsu časové m. Lasery periody řádu jednotek fs(2.7 fs) 1 fsje stejná část minuty jako minuta část věku vesmíru Pulzní lasery délka pulsůns-ps, v posledních 20 letech i desítky fs

9 Délka pulsu časové m. Dnes nejkratší laserové pulzy 5 fs(2 periody) Kratší pulzy lze složit z mnoha pulsů HHG 1 nspuls 30 cm balík fotonů, 1 fspuls 0.3 μmbalík fotonů

10 Energie, výkon Energie fotonu jednotky ev (1.55 ev), fotonů na J. Největší dosažená energie laserového pulsu 26 kj. Kinetická energie náboje vystřeleného z pušky M 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.

11 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.

12 Energie, výkon V ELI Beamlineslasery o špičkových výkonech až 10 PW! Fokusace do oblasti několika μm W/cm 2. Materiál se začíná odpařovat při W/cm 2 (u krátkých fspulsů, u delších pulsů stačí 10 9 W/cm 2 ). Na zemi je intenzita slunečního světla 0.1 W/cm 2. ELI je veškerý vyzářený výkon slunce (tj. cca W) v ploše 10 x10 cm!

13 Trocha historie Princip laseru fyzikálně 1917 Albert Einstein. Předchůdcem laseru maser, stejný princip, ale generuje mikrovlnné záření Ch. Townesa A. L. Schawlowv článek ve PhysicalReviewo konstrukci infračerveného a optického maseru(čili laseru) GordonGouldv doktorské práci koncept laseru oficiálně považován za vynálezce první funkční laser Theodore Maiman.

14

15 Kvantová mechanika světlo (elektromagnetické záření) má současně vlnový i částicový charakter fotony kvanta elektromagnetického záření kvantování energie atomu elektronyse mohouvyskytovatpouzenaurčitých energetických hladinách nelze přesně určit současně polohu a hybnost částice Heisenbergova relace neurčitosti

16 Generace laserového záření

17

18

19

20

21 Generace laserového záření

22 Generace laserového záření

23

24 helium-neonový plynový laser plynná směs helia a neonu (20:80)

25 He-Ne laser energie excitovaného stavu atomu helia E 3 =20.61 ev téměř shodná s energií hladiny E 2 =20.66 evpro neon

26 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

27

28

29

30 Generace fs pulsů Aktivní médium striktně monochromatické může vyzařovat určité pásmo frekvencí. V rezonátoru- stojaté vlny.

31 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

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43 vzdálenost od ohniska, na které je plocha průřezu laserového svazku zdvojnásobena

44

45

46 Zesilování nanosekundové pulzy

47 Zesilování fs pulzů

48 CPA = Chirped Pulse Amplification Zesilování fs pulzů

49 Zesilování fs pulzů CPA a OPCPA vrezonátoru generován pouze slabý fs pulz energiev 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

50 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

51 Vývoj intenzity Schwingerův limit Radiační útlum Relativita Ionizace polem

52 Největší fs lasery ve světě VULCAN Laser RAL STFC, UK (1 PW, 500 J/ 500 fs, 1054 nm) Texas Petawatt Uni. of Texas, USA (1 PW, 185 J/ 130 fs, 1054 nm) Osaka PW module Uni. of Osaka, Japan (1 PW, 500 J/ 500 fs, 1053 nm) GIST-APRI Pet awatt Apri, South Korea (1 PW, 32 J/ 30 fs, 800 nm)

53 Největší laser na světě dnes NIF National Ignition Facility Vybudován v Livermoruv Kalifornii v USA za 4.2 miliardy $ 192 svazkůo energii 10 kjkaždý, celkový výkon 0.5 PW Primární určení inerciální fúze, dále vojenský a vědecký výzkum

54 Největší lasery v ČR PALS = Prague Asterix Laser System přivezen z Garchingu 1 kj 400 ps (2.5 TW) jódovýfotodisociační(1.3 μm), W/cm 2