Nagroda Nobla z fizyki 2018

Transkrypt

1 Jak zbudować urządzenie o mocy 1000 razy większej niż wszystkie elektrownie na świecie Nagroda Nobla z fizyki 2018 Czesław Radzewicz Uniwersytet Warszawski

2 Nobel Prize in physics 2018 "for groundbreaking inventions in the field of laser physics" for the optical tweezers and their application to biological systems for their method of generating high-intensity, ultra-short optical pulses Arthur Ashkin ½ nagrody Gerard Mourou ½ nagrody Donna Strickland

3 moc czyli zdolność do wykonywania pracy MOC = PRACA CZAS MOC = ENERGIA CZAS 𝑃= 𝐸 𝑡

4 jednostki moc jednostką mocy jest Wat W = J s w życiu codziennym 1 Wat to mała moc dlatego często stosujemy jednostki pochodne: kilo mega giga tera peta.. 1 kw = W 1 MW = W 1 GW = W 1 TW = W 1 PW = W = 10 3 W = 10 6 W = 10 9 W = W = W koń mechaniczny 1 KM 735 W

5 moc ~1 W ~100 kw ~1 kw = 1000 W

6 moc 1 10 MW (1 MW = W) ~100 MW

7 moc ~20 GW łączna moc elektrowni na Ziemi - kilka TW czy potrafimy wytworzyć większą moc? 1 TW = W = W (milion milionów watów)

8 emisja wymuszona laser - podstawy fachu laser = wzmacniacz optyczny + rezonator

9 są lasery małe źródło: źródło: Tweak3D.net

10 i lasery duże 4 MJ 500 TW Argus laser, lata 1970 National Ignition Facility, lata 2000

11 laser duży = laser + wzmacniacz(e) laserowy(e) czy istnieje granica na moc lasera? jaka jest natura tej granicy? jakie są trudności? praca ciągłą czy impulsowa?

12 i lasery duże 4 MJ 500 TW National Ignition Facility (USA) lata 2000

13 laserowa fuzja jądrowa 1 kg mieszanki 2 H+ 3 H MWh Bełchatów x 24 godziny ton CO SO x + NO x +

14 koń w galopie Czy, galopując, koń odrywa jednocześnie wszystkie nogi od ziemi? Pierwsza sekwencja zdjęć: Eadweard Muybridge, 1887

15 lampy błyskowe wczoraj i dziś laser femtosekundowy ~ s 5 ~ s

16 są lasery impulsowe impulsy mogą być bardzo krótkie femtosekundy (fs) 1 fs = s w czasie 1 fs światło przebywa drogę 3 μm

17 femtosekundowa dynamika

18 dlaczego warto wzmacniać ultrakrótkie impulsy laserowe? P peak = E t 20 km/h 40 km/h

19 Nagroda Nobla z fizyki 2018 "for groundbreaking inventions in the field of laser physics" for the optical tweezers and their application to biological systems for their method of generating high-intensity, ultra-short optical pulses Arthur Ashkin ½ nagrody Gerard Morou Donna Strickland ½ nagrody

20 P peak = E t L dlaczego tak trudno wzmacniać ultrakrótkie impulsy laserowe? natura, w tym optyka, jest nieliniowa. impuls ulega silnym zniekształceniom. n I = n 0 + n 2 I natężenie r L ognisko ω t, L = dφ dt = ω 0 ω 0n 2 L di c dt faza t nieodwracalne zniekształcenia impulsu w domenie czasowej impuls wyjściowy mało użyteczny płaskie fronty falowe paraboliczne fronty falowe nieodwracalne zniekształcenia impulsu w domenie przestrzennej

21 dlaczego tak trudno wzmacniać ultrakrótkie impulsy laserowe? r L ognisko BOOM!!! płaskie fronty falowe paraboliczne fronty falowe zniszczenie materiału

22 ultrakrótkie impulsy są szerokopasmowe δt transformacja Fouriera: δν 0.44 δt (dla krzywej Gaussa) δν t ν 0 ν i mogą być rozciągane w czasie świergot dodatni magiczne pudełko świergot ujemny

23 Chirped Pulse Amlification (CPA) - pomysł streczer wzmacniacz laserowy kompresor

24 kompresor impulsów

25 standard CPA

26 jak silne światło oddziałuje z materią światło niesie energię i pęd światło może przekazywać energię do materiałów co się dzieje gdy moc impulsu laserowego jest bardzo duża? siła Lorentza: F = q v B + E

27 state of the art. I~10 22 W cm 2 reżimy oddziaływania I W/cm 2 granica Schwingera I W/cm 2 relatywistyczny ruch protonu I W/cm 2 relatywistyczny ruch elektronu gorąca plazma I W/cm 2 jonizacja atomów niszczenie materiałów

28 laserowe akceleratory elektronów T. Tajima & J.M. Dawson, PRL 43, 267 (1979) Typowe doświadczenie: impuls laserowy - kilka J, W/cm 2 gęstość gazu ~ cm -3 Pole elektryczne plazmowej fali rufowej ~ 1 GeV/cm Rekord energii elektronów: 4.3 GeV M. Leemans et al., PRL 113, (2014)

29 laserowe źródła protonów A. Macchi et al., Rev. Mod. Phys. 85, 751 (2013)

30 ultrakrótkie ultramocne lasery narzędzie do poszukiwaniu nowych zjawisk praw przyrody Aktualny rekord: Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility (SULF), P > W (5PW) niektóre plany: Extreme Light Infrastructure PP, Romania 2x10 PW Station of Extreme Light (SEL), China 100 PW, 2023? Center for Extreme Light Studies (XCELS), Russia 180PW, 2023?

31 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ