Využití laserů ve vědě Vojtěch Krčmarský
Spektroskopie Vědní obor zabývající se měřením emise a absorpce záření Zakladatelé: Jan Marek Marci, Isaac Newton Spektroskopické metody poskytují informaci o struktuře na atomové a molekulární úrovni
Využití spektroskopie Fyzika: vysoce přesná měření, metrologie, astrofyzika Chemie: fyzikální a analytická chemie Biologie: biofyzika, molekulární biologie
Základní schéma spektroskopie
Ramanova spektroskopie Metoda analytické chemie Využívá se Ramanova jevu Používá se rozptyl laserového paprsku při interakci se vzorkem 3 způsoby interakce: 1. Záření excituje elektron a při návratu do základního stavu se vyzáří foton o stejné λ, tato interakce nenese analytickou informaci
2. 3. Excitovaný elektron se nevrátí do původního stavu, ale vrací se do vyšší hladiny, než ze které byl excitovaný, vyzáří se foton s větší vlnovou délkou (Stokesovy fotony) Excitovaný elektron se nacházel na vyšší, než základní hladině a po excitaci se vrací do základní hladiny za vyzáření kratší λ (Anti-Stokesovy fotony),.. Posuny frekvencií Stokesových a antistokesových fotonů nesou informaci o složení Využití: analýza drog, farmaceutik, barev, inkoustů atp.
Laserová spektroskopie LIBS LIBS Laser Inducted Breakdown Spectroscopy Využívá záření mikroplazmatu vytvořeného na zkoumaném vzorku laserovým pulzem Vytvoření mikroplazmatu: zářením ablačního laseru (Nd:YAG, excimer), fokusovaný svazek, intenzita až GW/cm2,rychlost ohřívání povrchu asi 1010 K/s
Po skončení pulzu se během ochlazování plazmatu (řádově v mikrosekundách) zmenšuje intenzita kontinuálního pozadí a zůstávají viditelné ostré emisní čáry ionizovaných atomů. Záření plazmatu se přenáší optickou soustavou do spektroskopu, kde je difrakcí rozloženo a dopadá na CCD čip
Interferometrie Mach-Zhenderův interferometr: použití v aerodynamice pro zobrazení toku vzduchu, k měření hustoty, atp. Ring laser gyroscopes využití v navigaci Mnoho dalších využití, speciálně Holografie
Holografie
Laserová komunikace Silně závislá na počasí Uplatnění hlavně v nadzemském prostoru komunikace mezi satelity, se zemí pak rádiově Projekt NASA Laser Communications Relay Demonstration start plánovaný v roce 2017 Laserová komunikace na dlouhou vzdálenost 10 100x rychlejší přenos než rádiem (video)
Kvantová informatika Klasická informatika bity (1 nebo 0) Kvantová informatika qubity (1, 0, nebo jakákoliv kvantová superpozice mezi těmito stavy) Manipulace s qubity pomocí qvantových logických hradel Systém hradel = kvantový algoritmus Nosič kvantové informace fotony, kódováno např. v polarizaci
Kvantová kryptografie Problém šifrování přenesení klíče Klíč se šifruje do kvantových stavů částice V případě odposlechu dojde k narušení kvantových stavů, což lze příjemce pozná -> klíč se nepoužije, nedojde k úniku dat Opět se využívá polarizačních stavů světla
ELI extreme light infrastructure 3 výzkumná centra v Evropě, 1x v ČR Základní z program ELI beamlines: Lasery pro generaci repetičních ultrakrátkých pulsů a výkonech násobků petawattů Vybudování laserového systému složeného ze dvou 10 PW zesilovačů a kompresorů
Další aktivity v rámci ELI beamlines: Urychlování částic pomoci laserů Aplikace v biomedicínských a materiálových vědách Fyzika plazmatu a vysokých hustot energie Exotická fyzika a teorie (polarizace vakua, kvatově elektrodynamická pole v oblasti vysokých laserových polí) V Č R v současnosti laser PALS (jódový laser, 1315 nm, puls 350 ps až 3 TW), poznávání extrémních stavů látky Více informací na www.eli-beams.eu
High average power pulsed lasers Vývoj a aplikace pevnolátkových diodově čerpaných laserů s vysokou energií a vysokou opakovací frekvencí 2 technologické koncepty: Zesilovače na bázi tenkých disků s průměrným výstupním výkonem v řádu kw Multi-deskové zesilovače dosahující vysokou výstupní energii v pulsu s opakovací frekvencí 10 Hz, škálovatelné na úroveň kj
Laserová fúze Zažehnutí termojaderné fúze působením laseru
Ohřev kapsle: Na palivovou kapsli (zmražená směs deuteria a tritia) velikosti hrášku svítí z různých stran lasery, které zahřejí její povrch (lze provést také RTG zářením) Komprese paliva: Z povrchu materiálu unikají výtrysky látky, které stlačují kapsli do centra, kde rychle roste teplota a hustota paliva Zážeh paliva: Palivo zmražené v kapsli má cca 5 1028 částic/m3, pokud je stlačeno 10 000x a jeho teplota je asi 1 000 000 C, dojde k zážehu fúzní reakce
Termojaderné hoření: fúzní reakce se rychle rozšíří do celého objemu paliva a uvolní mnohonásobn ě větší energii, než byla dodána (energie 1 DT cyklu je úměrná asi 15 kg spáleného uhlí) Gekko XII Osaka, NIF, v Evropě HiPER
Děkuji Vám za pozornost