Základy fyziky laserového plazmatu Lekce 1 -lasery
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
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 Ea 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 fsje stejná část minuty jako minuta část věku vesmíru Pulzní lasery délka pulsůns-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 nspuls 30 cm balík fotonů, 1 fspuls 0.3 μmbalík fotonů
Energie, výkon Energie fotonu jednotky ev (1.55 ev), 10 19 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 Beamlineslasery o špičkových výkonech až 10 PW! Fokusace do oblasti několika μm 2-10 24 W/cm 2. Materiál se začíná odpařovat při 10 13 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 10 26 W) v ploše 10 x10 cm!
Trocha historie Princip laseru fyzikálně 1917 Albert Einstein. Předchůdcem laseru maser, stejný princip, ale generuje mikrovlnné záření. 1957 Ch. Townesa A. L. Schawlowv článek ve PhysicalReviewo konstrukci infračerveného a optického maseru(čili laseru). 1957 GordonGouldv 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 elektronyse mohouvyskytovatpouzenaurčitých 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 E 3 =20.61 ev téměř shodná s energií hladiny E 2 =20.66 evpro 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
CPA = Chirped Pulse Amplification Zesilování fs pulzů
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
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 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)
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
Největší lasery v ČR PALS = Prague Asterix Laser System přivezen z Garchingu 1 kj 400 ps (2.5 TW) jódovýfotodisociační(1.3 μm), 5 10 16 W/cm 2