Embed Size (px)
Citation preview
Lézer, a különleges fénysugár
Dr. Paripás Béla fizikus, egyetemi tanár
The International Year of Lightand Light‐based Technologies
2015
We will only get one chance
2015 – a fény nemzetközi éve volt
A fény éve egy kicsit azért
a lézer éve is volt
1. Descartes elmélete: a mindenséget kitöltőfinom anyagrészek örvényléséből adódónyomás.
nem vezet sehová
2. Huygens elmélete: az éterrészecskék rugalmas rezgéseinek tovaterjedése, tehát mozgásállapot terjedése.
részben igaz: hullám, de nem az éterben
3. Newton elmélete: a fény részecskékből (korpuszkula) áll, amelyek az üres térben is haladhatnak.
ez áll legközelebb az igazsághoz: foton
Egy kis fényfizika történet
Kezdjük a XVII. századnál
A fénytan fejlődése a a XIX. században
Young, 1801: a kétréses kísérlet; az interferencia bizonyítja a fény hullám jellegét egyúttal lehetővéteszi a hullámhossz mérését is
Thomas Young(1773-1829)
A fény mégiscsak hullám inkább !!!
Malus (1775-1812): a kb. 57°-ban visszavert fényt a vele párhuzamos felsőüveglemez visszaveri, de 90°-os elforgatás után nem: első kísérlet, ami a transzverzalitást mutatja (~ 1810)
Brewster (1781-1868): a kb. 57°-ban visszavert fény lineárisan poláros (tg 57° ≈1,5 = n) a polarizáció és a transzverzalitás kapcsolata(~1815)
Fresnel (1788-1827)matematikailag precízen megfogalmazza a Huygens elvet, az interferenciát, transzverzalitást, polarizációt. (~ 1820)
A fénytan fejlődése a a XIX. században
Ráadásul transzverzális hullám, ami polarizálható
A fénytan fejlődése a a XIX. században
Az rendben van, hogy hullám, no de mi hullámzik?
Mi más, mint az éter: a világmindenséget betöltő, az elektromágneses jelenségeket (közte a fényjelenségeket) hordozó hipotetikus közeg. A newtoni mechanikus világkép egyik utolsó maradéka, az abszolút tér megtestesítője.
A fény tehát az éter (étert alkotó részecskék) keresztirányú rugalmas hullámzása?!
És akkor – szinte előzmények nélkül –jött a Maxwell-i gondolat: a fény elektromágneses hullám (1864)
James Clark Maxwell (1831-1879)
a XIX. sz. legnagyobb elméleti fizikusa,a klasszikus elektrodinamika megalkotója
A fénytan fejlődése a a XIX. században
g A
dEds BdAdt
= −∫ ∫Ag A
dHds I DdAdt
= +∫ ∫
22
0 0 2
EEt
μ ε ∂∇ = ⋅ ⋅
∂
Kibővítette az Apere-egyenletet
Felírta az elektromágnességtanteljes egyenletrendszerét
Felismerte az elektromágneses hullámok lehetőségét
0 cos n rE E tv
ω ⋅⎛ ⎞= ⋅ −⎜ ⎟⎝ ⎠ 0 0
1vμ ε
=⋅
A fénytan fejlődése a a XIX. században
Maxwell: Mivel az elektromágneses hullámok sebességéreaz elmélet a fénysebességgel pontosan egyező sebességet ad, ezért
„Valószínűsíthető, hogy a fény (és a hősugárzás) is egy a felírt törvények szerint az elektromágneses térben terjedő zavar (1864).
Hertz (1857-1894): Az elektromágneses hullámok létének és a fényhullámokkal azonos viselkedésének a bizonyítása (1886).
Lorentz (1853-1928): az elektromágneses fényelmélet szintézise, klasszikus elektron-elmélet, fény és anyag kölcsönhatásának klasszikus tárgyalása (~1900). Jelentőségét a későbbi kvantum-elmélet jelentősen csökkentette.
8
0 0
1 3 10 mv sμ ε= ⋅
⋅
Az elektromágneses spektrum
Az elektromágneses természet felismeréséhez kellett a fénysebesség pontos ismerete!
Első próbálkozások a fény terjedési sebességének kísérleti meghatározására
Következtetés: Δt nem függ d-től. Tehát a fény sokkal rövidebb időalatt teszi meg a néhány km-es utat, mint amennyi az ember reakcióideje, azaz a fény sebessége ezzel a hódszerrel nem mérhető meg. Ahhoz csillagászati távolság kell.
A visszaérkező fényjel Δt időkésését mérték különböző d értékek esetén
Römer (1644-1710): a fény terjedési sebességének első kísérleti meghatározása (1676).
A Jupiter legbelső holdjának holdfogyatkozásai között eltelt időket figyelte meg igen pontosan. Ha a Föld távolodik a Jupitertől (B), akkor ezek az idők nagyobbak, mint amikor közeledik (D).
Ió, Európa, Ganümédész, Kallisztó
Nagyságrendileg helyes eredményt kapott (2,3 ·108 m/s).
Fizeau (1819-1896): először mérte meg a fénysebességet földi körülmények között (1849), a pontossága 5%-on belül volt.
A fény sebessége álló vízben kisebb, mint a vákuumban!!!. A kettőaránya a törésmutató.
(Mégiscsak többet ér egy jó kísérlet, mint egy évezrednyi spekuláció!!!)
Áramló vízben váratlan eredmények: c’ = c/n + (1 - 1/n2)v
De mihez képest értendő a fénysebesség vákuumban?
Az éter koncepciója még létezik a XIX. sz. végén, ehhez van rögzítve az abszolút vonatkoztatási rendszer. (De már nem rezegni képes részecskékből áll.)
A fénysebesség irányfüggésének mérésével a Föld sebessége az éterben megmérhető, ez a Michelson-interferométerrelmegtehető.
Michelson (1852-1931)
A megoldás: Einstein, 1905, speciális relativitáselmélet.
Éter nincs, minden inerciarendszer egyenértékűminden fizikai jelenség szempontjából.
Értelemszerűen a fény minden inerciarendszerbenminden irányban ugyanazzal a c sebességgel terjed.
c=299792458 m/s(egzakt, mert ma ezen alapul a méter)
„Súlyos következmény”: nincs abszolút idő sem, minden rendszerben máshogy telik az idő.
A kísérlet végeredménye(a Föld minden részén végzett többszáz mérés alapján): a fény sebessége minden inerciarendszerben minden irányban mindig ugyanannyinak adódik.
Einstein (1872-1955)
A fényelektromos jelenség
A kilépő elektronok száma a fény intenzitásától függ ugyan, de az energiájuk a fény színétől.
Lénárd Fülöp(1862-1947)
Magyarázat: Einstein, 1905
…a fény is kvantált, elemi részecskéje a foton,
amelynek energiája (h·f) és lendülete (h/λ) is van.
Fényelektromos egyenlete:
h = 6,63 ·10-34 Js
A fizikusok felfogásának változása az időben a fény és az elektronok esetében.
Kettős természet: a fény egyes kísérletekben inkább hullámokra, más kísérletekben inkább részecskékre hasonlít, de egyikkel sem azonosítható.
Ami biztos: a kvantumelektrodinamika (QED) törvényei mindig helyesen írják le, de a klasszikus fizikán alapuló modellek néha becsapnak bennünket.
Részecske-kontra hullámtermészet
A fény elnyelésével és kibocsájtásával járó elemi atomfizikai folyamatok
koherens fotonok
Ahol
Az első kettőt Bohr fedezte fel (1913), ez az út elvezetett az atomok
kvantumelméletéhez
Niels Bohr(1885-1962)
2 1E E hν− = az utolsót Einstein fedezte fel ez az út a lézerekig vezetett
Light fényerősítés a sugárzás
Amplification by indukált (stimulált)
Stimulated emissziója által
Emission of
Radiation
Lézerek alapfelépítése
KKüülslsőő gerjesztgerjesztőő (energia(energia--) forr) forrááss
Tükörrezonátor
Tükör(100% visszaverés)
Részben áteresztő tükör(~99% visszaverés)
LLéézersugzersugáárr
ErErőőssííttőő kköözeg (zeg („„AmplificationAmplification//LasingLasing mediummedium””))
Lézerek alapfelépítése
• Anyaga: gáz (pl. Ar, Kr, He/Ne, Cd/He, CO2, N2, I2, RgX, HF, ),fémgőz (pl. Cu, Au, Ba),oldat (pl. fluoreszkáló molekulák metanolban),szennyezett kristály (pl. Nd:YAG, Cr:Alexandrite,
Ti:Sapphire, Cr:Sapphire (Rubin))félvezető (GaAs, ZnSe, ….)elektronok (szabadelektron-lézer)
• Követelmény: Megfelelő energiájú átmenetek (energiaszintek)Populáció inverziót lehessen létrehozni benne⇒ általában több energiaszintnek van szerepe
(lásd három és négy energiaszintű lézerek)
Erősítő közeg
Lézerek alapfelépítése
• „Formája”: villanófény (pl. rubin, Nd:YAG), elektromos kisülés (pl. He-Ne, CO2),kémiai reakciómásik lézer (pl. festéklézerek, Nd:YAG), …
• Követelmény: Optikai forrás esetén a fotonok energiája megfeleljen az erősítő közeg gerjesztési energiájának
A fluxus elég nagy legyen a populáció inverziófenntartásához (lásd folytonos vs. impulzus lézerek)
• Megszabja a lézer teljesítményét (energiamegmaradás!)energiaveszteség legtöbbször hő formájában jelenik meg
(⇒ hűtés)
Külső energiaforrás
Lézerek alapfelépítése
• Szerepe: kényszeríttet (stimulált) emisszióerősítése (a spontán emisszióval szemben) (a stimulált emisszió során létrejövő foton koherens a „stimuláló” fotonnal”!)
állóhullámok létrehozása
Rezonátorüreg
⇒ koherens, kollimált, monokromatikus (intenzív) sugárzás
m · λ / 2 = LL
Lézerek alapfelépítése• Nehézségek:
egyéb rezgési módusok megj.:a) keresztirányú módusok(„transverse electromagneticmodes”, TEM)
Rezonátorüreg
Megfigyelése:
Lézerek alapfelépítése
• Nehézségek: egyéb rezgési módusok megjelenésea) hosszirányú módusok („longitudinal modes”)
Rezonátorüreg
Több rezgési módus következménye:
frekvencia
inte
nzitá
s
frekvencia
inte
nzitá
s
⊗ =
frekvencia
inte
nzitá
sErősítő közeg Rezonátorüreg Lézernyaláb
Kihasználás: ultrarövid impulzusok, frekvencia moduláció
Lézerfolyamatok kinetikája
221NA
Abszorpció Spontán emisszió Stimulált emisszió
νρ221NBνρ112 NB
A21, B12, B21: Einstein-féle koefficensekN1, N2: az alap és a gerjesztett állapotban levő részecskék számaρν: a sugárzás energiasűrűsége ν frekvenciánál
Összefüggések:
E2-E1=h·f h: Planck-állandó
E1
E2
=dtd /φ
φ(=N/V): foton-sűrűség
E1
E2
E1
E2
B12=B21 A21/B21~f3
Az N1 > N2 az általános eset, ez a normál populációtermikus egyensúlyban mindig ez van, ekkor a sugárzás gyengül (elnyelődik) az anyagban
Az N1 < N2 eset csak kivételes körülmények között lehetséges,
ez a populációinverziótermikus egyensúlyban ez nem fordulhat elő,
ekkor tehát a sugárzás erősödik az anyagban
A populációinverzió a lézerműködés elengedhetetlen feltétele !!!
Lézerfolyamatok kinetikája
Lézerfolyamatok kinetikájaPopuláció inverzió megvalósítása:
Négy energiaszintű lézerek
E2
E3
gerjesztés Lézersugárzás
sugárzásmentes átmenetE4
Ene
rgia
Populáció
gyors
pl.: Nd:YAG lézer
E1
sugárzásmentes átmenetgyors
metastabilis állapot
Érdekességek
Világ legkisebb lézere
(Sam McCall, AT&T Bell Labs)
2 μm átmérő és 400 atomnyi vastagság
λ = 1,3 – 1,5 μm
1991
Indium-gallium-arsenidesemiconductor microdisk
Érdekességek
Miért különleges a lézerfény?
• Nagy teljesítmény• Kollimált („párhuzamos” fénynyaláb)• Monokromatikus• Koherens (elektromágneses sugarak
azonos fázisban)• Rövid impulzusok (akár ~ 0,1 fs =100 as!)
⇒ rengeteg alkalmazási terület
A kollimáltság teszi lehetővé a kiválófókuszálhatóságot
2
min 00
2 M fd 2 fr
⋅ ⋅ ⋅λ= ⋅ ⋅Θ = ≈ λ
π⋅
Érdekesség:
minél szélesebb a lézernyaláb,
annál párhuzamosabb,
tehát annál kisebb foltra fókuszálható
sindλ
ϑ=
ϑλ
d
•
A reflexiós optikai rács periodikus szerkezetén a fényhullám elhajlást szenved. (Azaz azokba az irányokba is van reflexió, amelyekre a szomszédos hullámok útkülönbsége λ.)
ϑ
A monokromatikusság kísérleti ellenőrzése
A laboratóriumba az ablakokon át beszóródott napfény spektruma.A spektrum burkolója egy kb. 5800 K-es feketetest sugárzáshoz tartozó görbe. De a burkolót megszaggatják mind az ún. Fraunhofer vonalak (ezek a Nap felszínét elhagyó sugárzásban megjelenő elnyelési vonalak), valamint a Föld atmoszférájában lévő gázok által okozott abszorpciók.
Az átlagember szemének relatív érzékenysége
A LED-ek spektruma folytonos, de sokkal keskenyebb az izzó szilárd testek spektrumánál. A LED-ek összetételének, paramétereinek változtatásával megváltoztathatjuk spektrumukat is.
Igen látványos spektrumot kaphatunk abban az esetben, ha a szórt napfény mellett felkapcsoljuk a terembeli világítást.A kisnyomású Hg-lámpákat gyakran fénycsőnek hívjuk, ezekben a csövekben általában két ultraibolya tartományba eső vonal gerjed a 185 nm-es és 257,3 nm-es. Ezeket UV-be eső sugárzásokat konvertálja a fénycső belső falára felvitt fénypor a látható tartományba.
A lézerek különleges fényforrások, mert a spektrumuk egyetlen, igen szigorúan monokromatikus vonalat tartalmaz. A következő ábrákon a He-Ne gázlézer, illetve a frekvencia kettőzött Nd:YAG lézer spektruma látható.
A lézerek felfedezésének története1916 Albert Einstein: „kvantum átmenetek” (feketetest sugárzás magyarázata,
stimulált emisszió alapelve, Einsten-féle A és B koefficiens)
100 éve volt!!!
1946 Felix Bloch, W. W. Hansen, Martin Packard (Stanford University): NMR-kísérletelső publikált populáció inverzió! fizikai Nobel-díj: 1952
1947 Gábor Dénes:holográfia alapelve kivitelezés lézerekkelNobel-díj: 1971
1928 Rudolph W. Landenburg: Stimulált emisszió („negatív abszorpció”) kísérleti biz.
Miért nem találták fel a fizikusok a lézereket már a 30-as években? Mert akkor más érdekelte őket: az atommag.
A lézerek felfedezésének története
Nobel-díj (1964): Townes, Basov and Prokhorov
MASER: Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation(szkeptikus kollegái: Means of Acquiring Support for Expensive Research)
1951 Charles H Townes (Columbia University): első MASER
1951 Alexander Prokhorov, Nyikolaj Basov (Lebegyev L., Moszkva): MASER független megalkotása
(Phys. Rev. 95, 282, 1954, Phys. Rev. 99, 126, 1955.)
A lézerek felfedezésének története1957 Gordon Gould (Columbia University): a lézerek működési elve („30 éves sza-badalmi haború”) LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
1958 Arthur L Schawlow and Charles H Townes (Columbia University): első cikk„optikai” MASER működési elvéről (Phys. Rev. 112, 1940, 1958) 1960 szabadalom
1960 Theodore Maiman (Hughes Research Laboratories): első működő rubin lézer(Nature, 187, 493, 1960)
A lézerek felfedezésének története
1961 Ali Javan, William Bennet Jr., Donald Herriot (Bell Labs.): első He-Ne lézer(Phys. Rev. Lett. 6, 106, 1961)
1962 Robert Hall (General Electrics): első félvezetőlézer (R. N. Hall, G. E. Fenner, J. D. Kingsley, T. J. Soltys, and R. O. Carlson, Phys. Rev. Lett. 9, 366, 1962)
1964 J. E. Geusic, H. M. Markos, L. G. van Uiteit (Bell Labs.): első Nd:YAG lézer
1964 Kumar N Patel (Bell Labs.): első CO2 lézer
1964 W. Bridges (Hughes Labs.): első argonion lézer
1965 G. Pimentel J. V. Kasper (University of California, Berkley): első kémiai lézer
1966 W. Silfvast, G. Fowles and Hopkins (University of Utah): első fémgőzlézer
1966 P. Sorokin, J. Lankard (IBM Labs.): első festéklézer 50 éve volt!
1961 Columbia-Presbyterian Hospital: első orvosi alkalmazás
A lézerek felfedezésének története
1970 Nyikolaj Basov (Lebegyev Lab., Moszkva): első excimer (Xe2) lézer
1977 J. M. Madey (Stanford University): első szabadelektron lézer
1980 Geoffrey Pert (Hull University, UK): röntgen lézerfény generálása
1981 A. Schawlow és N. Bloembergen: fizikai Nobel-díj nemlineáris optikáért éslézer-spektroszkópiáért
1980 S. Chu, C. Cohen-Tannoudji, W. D. Phillips: atomok lézeres hűtése, fizikai Nobel-díj: 1997
2000 Z. Alferov: fizikai Nobel-díj (megosztva) miniatűr félvezetőlézerekért (1963)
1999 A. Zewail (California Institute of Technology) kémiai Nobel-díj kémiai reakciók fs-os lézeres követéséért
2002 K. Tanaka: kémiai Nobel-díj MALDI (Matrix-Assited Laser Desorption/Ionisation)
A „laser” szó előfordulása az American Chemical Society folyóirataiban
1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 20000
10
20
30
40
%-o
s el
õfor
dulá
s
Év
Összes J. Phys. Chem. Anal. Chem. Env. Sci. Techn. Inorg. Chem. + Organometallics Biochemistry J. Org. Chem. + Org. Lett.
Szilárdtest lézerek
Rubin lézer (Cr3+:Al2O3) ill. Nd:YAG lézer yttriumalumínium gránát; Nd3+:Y3Al5O12)
Közös: optikailag pumpált mesterséges egykristály rudak
Különbség: háromszintű négyszintű lézer
Zöld lézer pointerDPSS: dióda pumpált szilárdtestYVO: ittrium vanádium oxid (a YAG helyett)KTP: kálium titanil foszfát (a KDP helyett)
GÁZLÉZEREKLézeranyag: kis nyomású (néhány mbar) gáz, vagy gázelegy
Lézerátmenet: elektronszintek között (UV és látható lézerek)rezgési szintek között (infravörös lézerek)forgási szintek között (távoli infravörös lézerek)
Pumpálás: elektromos energiával, gázkisülést létrehozva(optikai pumpálásnak nincs értelme, mert a gázok abszorpciós vonalai keskenyek)
Méret: sokkal nagyobbak a szilárdtestlézereknél, mivel kisebb a lézeraktív anyag koncentrációja.Például: He-Ne lézer ~ 1021 molekula/m3
Nd-YAG lézer ~ 1025 - 10 26 Nd-ion/m3
Hélium-neon lézer
Lézeranyag: ~10:1 arányú He/Ne elegy, össznyomás ~1-2 mbar
A lézerátmenet a Ne atomoktól származik, a He segédanyag
Argon(ion)lézer
Lézer közeg: ~0,5 torr nyomású Ar-gáz, kisülési csőbe töltve
Kisülésben - gerjesztett molekulák- alapállapotú ionok jönnek létre (plazma)- különböző gerj. áll. ionok
A kisülési cső működési jellemzői: áramerősség, feszültség, nyomás, hőmérséklet - ezektől függ az Ar+ ionok populációja különböző energiaszinteken.
Inverz populáció érhető el az Ar+ ion egyes gerjesztett állapotaiban, náluk kisebb energiájú gerjesztett állapotokhoz képest.
}
A lézersugárzás az Ar+ ionoktól származik! („Argonion”lézer)
+ 500V, 60A-
katód anód kilépő tükörR=98%, T=2%
végtükörR=100%
diszperzióselem
Az argonion lézer működése
A CO2-molekula normál rezgései
O C O OCO OCO
szimmetrikus nyújtásdeformáció aszimmetrikus nyújtás
v1 v2 v3
A három normálrezgés gerjesztettségét jellemző kvantumszámok.
CO2-lézer
Lézer közeg: ~ 1:1 arányú CO2-N2 elegyzárt változat: - ~10 torr nyomású gáz zárt kisülési csőben
nyitott változat - ~ atmoszférikus nyomású gáz nyílt kisülési csőben
A CO2 és a N2 rezgési-forgási szintjei
• A N2 segédanyag.
• A rezgési szintekre forgási szintek szuperponálódnak.
• A lézer átmenet a CO2-molekula gerjesztett rezgési-forgási állapotai között történik, ezért infravörös (távoli IR) fényt ad.
Hétköznapi lézerek
A CD lemez
Optikai jelátvitel
Lézeres sebességmérés (autóké, lézerimpulzus sorozatokkal)
Új „barátunk” az ARH CAM-S1
905 nm hullámhosszú, impulzus üzemű félvezető
lézer (dióda) PLD
Holográfia
• Nem ez a holográfia!
1947 Gábor Dénes:holográfia alapelve kivitelezés lézerekkelNobel-díj: 1971
Hologram készítése: a kettéosztott lézersugár egyik fele a tárgyon szóródik, a szóródott lézerfény a fotolemezen találkozik és interferál a másik féllel, a referencia sugárral.
Síkhologram rekonstrukciója: az előhívott fotolemezt az eredeti lézernyalábbal megvilágítva azon a tárgy térbeli képe megjelenik
Lézeres vágás és hegesztésNd:YAG CO2
Rövid fényimpulzusokkal nagyon határozott, jól definiált alakzatokat
lehet kialakítani
Lézeres áramlásmérés
LDA: Laser Doppler Anemometry
A névadó: Christian Doppler (Salzburg, 1803. november 29. – Velence, 1854. március 17.) műegyetemi tanár
1837-től a prágai műegyetemen tanított; 1847. október 23-tól a selmeci magyar királyi bányász-akadémián a mennyiségtant, természettant és erőműtant adta elő1849-ig. Ezután a bécsi császári és királyi műegyetem tanára volt.
Lézeres áramlásmérésLDV: Laser Doppler Velocimetry
PDV: Planar Doppler Velocimetry
Lézerinterferometrikus mozgásanalizátor
Pontosság: λ/8 < 0,1 μm
interferencia6m.wmv
LIDAR (Light Detection And Ranging)
A WTC „ground zero” LIDAR 3D képe (2001.09.27.)
Vízmélységek mérése LIDAR-ral
Használhatják továbbá pl.
- elektromérnökök (távvezetékek belógásának távmérése)
- környezetmérnökök (szennyeződések terjedésének távmérése vízben)
- agrármérnökök (a vegetációfejlődésének távmérése)
A leghíresebbek….
• A legnagyobb…• Az év sztárja…• A szegedi szuperlézer…
Lézerek az ICF-benHALNA (High Average-power Laser for Nuclear Fusion Application) at ILE,
Osaka University
A legnagyobb…
National Ignition Facility (NIF),Lawrence Livermore
National Laboratory LLNL
7500 darab 2 méteres villanólámpával (amelyeket hatalmas kondenzátorokkal táplálnak ) gerjesztett üvegbe ágyazott Nd atomok koherens sugárzása erősíti az eredeti gyenge, 192 részre osztott lézerimpulzust.
Végül a 192 nyaláb mindegyike 20000 J impulzusenergiájú lesz. A lézerimpulzusok hossza 1 ns, amelyek 20 ps-on belül, 50 μm pontossággal érkeznek a céltárgyra.
120 yard
160 yard
Lézerek a jobb oldalon (2×12×4 = 96 db)
KDP (kálium dihidrogénfoszfát) kristályokkal teszik át a lézerfényt az infravörösből
az ultraibolyába
Számítógéppel vezérelt deformálható tükrökkel
fókuszálják a lézernyalábokat
A 192 lézernyalábot a targetkamrában lévő
céltárgyra vezetik
A hidrogén target a „lövés” után maximum 100 millió fokos, a nyomása egymilliárd atmoszféra. Ekkor a hidrogén százszor sűrűbb az ólomnál.
Ezt csak úgy érhetjük el, ha kezdetben a hidrogén folyékony, azaz a hőmérséklete kb. -250 °C-os
De mire „lőnek” a lézerrel?
Hát nehézhidrogénre (D+T)
De minek?... Hogy létrejöjjön a magfúzió
Könnyű atommagok egyesülnek egy nehezebbatommaggá
Hatalmas energia szabadul fel
Atommagok taszítása
Ennek legyőzéséhez magas hőmérséklet (~100000000 °C) szükséges. Ezt semmiféle anyag nem bírja ki
Inerciós fúzió Mágneses fúzió (MCF) (ICF) (Dobróka)
ICF = Inertial Confinement FusionMCF = Magnetic Confinement Fusion
Lawson kritérium n·τ ≥1020 sm−3
A NIF lézernyalábjai elérik a deutérium-trícium céltárgyat
A tervezett energiamérleg
• Jelenleg az anyagtudomány használja a világ legnagyobb lézerét: az anyag viselkedését lehet tanulmányozni az atombomba közepén úgy, hogy nem is robbantunk atombombát…
• De az ICF-es fúziós erőmű még nincs beláthatóközelségben
Sajnos bizonyos instabilitások miatt a
NIF program egyelőre nem
sikeres.
Az év sztárja…
LIGO:Laser InterferometricGravitational (Wave)
Observation
Kobinált Michelson és Fabry-Perot
interferométer 4 km-es karokkal
Livingston, USA
Nd:YAG lézer (λ=1064nm)
A Fabry-Perotinterferométer nagy
reflexióképességű tükre „beélesíti” az interferenciát
A 4 km-es interferométer karok vákuumcsőben futnak D=1,2 m;
d=3 mm
Teljes térfogat kb. 10000 m3, végvákuum 10-9 mbar
A végvákuum 40 napnyi szívás után érhető el
Kifűtés 150-170 oC-on
A kis nyalábdivergenciát széles hullámfrontokkal érik el.
Egyetlen porszem is galibát okozhat.
Vékonyréteg technológiával készült precíziós zárótükrök.
Mit lehet velük mérni? Gravitációs hullámokatEgymásba zuhanó fekete lyukakból
vagy közeli szupernova robbanásokból
Crab nebula, SN 1054, 6500ly
A (szegedi) szuperlézer• Az Extreme Light Infrastructure (ELI) egy tervezett európai uniós „kutatási
nagyberendezés”, ami nagy energiájú lézerekkel foglalkozna. A létesítmény exawatt-osztályú (1018 wattos) lézerével a relativisztikus hatások figyelembe vételével 1023 W/cm2 intenzitás is elérhető majd, ami a 2010-ben létező legnagyobb lézernél három nagyságrenddel nagyobb teljesítménysűrűséget jelent.
• Az Irányító Testület 2009. október 1-jén, Prágában úgy döntött, hogy Csehország, Magyarország és Románia közösen valósíthatja meg az ELI elosztott infrastruktúráját. Ez az első alkalom, hogy egy nagy, közös kutatóintézet új EU-tagországokban épülhet meg.
• A három tagországnak 2015 végére kell létrehozni a tudományos projekt három pillérét: az attoszekundumos impulzusokkal Magyarországon (Szegeden) foglalkoznak, a nagy teljesítményű másodlagos forrásból történő, másodpercenként akár tízszer „tüzelő” beamline Csehországban, Prágában épül majd, Romániában, Bukarestben pedig fotonukleáriskutatóközpont épülne, a nagy teljesítményű lézerek magfizikai alkalmazásainak vizsgálatára.
FizikaA csúcsteljesítmény 1018 W lesz.Magyarország elektromos energia termelése max.
kb. 5 ·109 W, a világé is csak 1012 W nagyságrendű.
Hogy is van ez???
Ez a teljesítmény csak kb. 100 as-ig (10-16s) fog fennállni, és mondjuk másodpercenként 100 impulzus lesz, az átlagteljesítmény mindössze 10 kW lesz.
A vizsgált jelenségek szempontjából csak a csúcsteljesítmény számít!
Ha a csúcsteljesítmény (1018 W) egy másodpercig fennállna, az valóban elegendő lenne egész Szeged megolvasztására.
FizikaNehéz 100 as (10-16s) elképzelése is!!!
A híres alma átlövéses kísérlet expozíciós ideje 10-6 s lehet
Ennél 10 milliárdszor rövidebb időről van szó. Ez alatt a fény csak néhány atomnyi távolságra jut el (a hajszál vastagságának ezredrészére).
Ilyen expozíciós idő kell az atomi elektron „mozgásának” (pl. egy kémiai kötés kialakulási folyamatának) a „lefényképezésére”.
Nehezebb megmérni, mint létrehozni (Krausz Ferenc).
A szegedi szuperlézer épületei
ELI ALPSAttoseconds Light Pulse Source
2014: földmunkák, alapozás
A dolgok állása 2015 őszén
A szegedi szuperlézerKulcsszavak a működési elvhez:
• Módus szinkronizáció
• Csörpölés
• Magas felharmonikus keltés
A szegedi szuperlézerMindhárom fő lézerforrás egyedülálló paraméterekkel –extrém sávszélességgel, az előállított tér ciklus alatti fáziskontrolljával, nagy ismétlési frekvenciával –rendelkezik.
Ehhez járul még a csúcstechnológiát képviselő, dióda-alapú szilárdtest lézerrel pumpált, optikai parametrikus csörpölt impulzuserősítés (OPCPA) nagymértékűhasználata. A SYLOS és a HR lézerek keresztpolarizált hullámmal való nemlineáris szűrést és az üreges optikai szálban történő impulzus-kompressziót alkalmazó két erősítő-fokozatot tartalmaznak.
Az ELI-ALPS főbb kutatási és alkalmazási területei
Vegyérték-elektron vizsgálatokAz ELI-ALPS által biztosított extrém-ultraibolya és röntgen források segítségével a kémiai reakciók végbemeneteléért
felelős vegyértékelektronok tanulmányozása révén új kutatási lehetőségek nyílnak majd meg az atomokon és
molekulákon belüli folyamatok nagy időfelbontásúvizsgálata területén.
Atomtörzsi-elektron vizsgálatokJelenleg a belső elektronhéjak részletesebb vizsgálata
csak nagy fotonenergiájú sugárzást kibocsátó szinkrotron forrásoknál kivitelezhető, de itt is csak limitált időbeli feloldással és koherens jelleg nélkül. Az ELI-ALPS
fényforrásainak egyedülálló kombinációjával lehetőség nyílik majd a törzselektronok dinamikájának
attoszekundumos léptékű követésére.
4D képalkotásAz atomok, molekulák, kristályok és nanostruktúrák egyaránt atommagokból és
elektronokból épülnek fel. Ezen részecskék térbeli (3D) elrendeződése határozza meg az anyag szerkezetét és alapvető tulajdonságait. Ha a rendszert gerjesztik, akkor a válaszreakció jellege és lefolyása időben (1D) és térben (3D)
leképezhető lesz.
Relativisztikus kölcsönhatásokA nagyintenzitású lézerimpulzusok (TW, PW) anyaggal való kölcsönhatása jellemzően atomi léptékű (femtoszekundumos, attoszekundumos) időskálán
megy végbe. Ezen folyamatok vizsgálatához nagyintenzitású lézerimpulzusokra és ezekhez szinkronizált attoszekundumos próbaimpulzusokra van szükség. A
szegedi ELI-ALPS létesítmény lehetővé teszi például a lézeres részecskegyorsítás vagy a nemlineáris kvantum-elektrodinamika
tanulmányozását is.
Az elektron „szörföl” a plazmában lézerrel
létrehozott hullámokon
Biológiai, orvosi és ipari alkalmazásokAz ELI-ALPS nagy fényességű, nagy ismétlési frekvenciájú, extrém rövid
lézeralapú röntgen impulzusok létrehozására lesz képes. A létesítmény jellegéből adódóan új kutatási területek nyílnak majd meg, és új megközelítési formák válnak majd megvalósíthatóvá. A lehetséges alkalmazási területek között szerepel többek között az orvosbiológia, a kémia, az éghajlattan, az energetika, anyagtudományi
fejlesztések, a félvezetők, az optoelektronika és még számos terület.
