Podstawy Fizyki III: Optyka z elementami fizyki współczesnej

Transkrypt

1 Podstawy Fizyki III: Optyka z elementami fizyki współczesnej wykład 29, wykład: pokazy: ćwiczenia: Czesław Radzewicz Radosław Łapkiewicz, Michał Nawrot Łukasz Zinkiewicz

2 Wykład 27 - przypomnienie procesy radiacyjne w atomach - emisja spontaniczna - emisja wymuszona - absorpcja związki pomiędzy współczynnikami Einsteina wzmacniacz laserowy -warunek wzmocnienia: dodatnia inwersja obsadzeń - wzmocnienie nienasycone - wzmocnienie nasycone schematy pompowania ośrodka laserowego wzmacniacz nasycony rezonatory optyczne: stabilność, mocy poprzeczne i podłużne

3 własności światła laserowego R 1 l R 2 1. Minimalna (dyfrakcyjna) rozbieżność wiązki (lidar) Θ = λ πw 0, 0 I s L 2. Monochromatyczność (spektroskopia) dν 100mHz, dν ν < Moc szczytowa (fizyka ekstremalna) P W 7. Natężenie (fizyka ekstremalna) I W cm 2 8. Jasność spektralna β ν = P AdΩdν 3. Spójność przestrzenna jest całkowita jeśli tylko laser pracuje w 1 modzie poprzecznym 4. Spójność czasowa może być ekstremalnie duża (interferencja) czas spójności τ c 1 dν szerokość widma powierzchnia kąt bryłowy 5. Czas trwania impulsu (pomiary procesów ultraszybkich) τ p = s

4 mikroobróbka laserowa, 1 Materiały: polimery metale półprzewodniki szkła ceramika kompozyty Wynik zależy od: materiału długości fali światła natężenia czasu trwania impulsu fs laser Mechanizmy: termiczny fizyczny chemiczny

5 mikroobróbka laserowa, 2 Źródła: skrzydło motyla Szczeliny 40 mm w cyrkonii o grubości 100 mm

6 produkcja stentów mikroobróbka laserowa, 3

7 mikroobróbka laserowa, 4 światłowody w szkle

8 Optical Coherence Tomography (OCT), 1 Wykład 11: interferometr Michelsona + światło o małej drodze spójności I out wersja time domain c 2 d d / c 2 1 czas spójności: τ c droga spójności: l c = τ c c Procedura zbierania danych: 1. Pojedynczy przesuw lustra daje jedną linię obrazu 2. Aby zarejestrować kolejną linię trzeba przesunąć wiązkę 3. Obrazy 3D wymagają przesuwania w dwóch kierunkach

9 OCT, 2 wersja frequency domain spektrometr idea Mierzymy widmo fali wyjściowej z interferometru Michelsona: E out t, τ = E t + E t + τ E out ω, τ = Eout t, τ e iωt dt = = E t + E t + τ e iωt dt = = E t e iωt dt + E t + τ e iωt dt = = E(ω) 1 + e iωτ E in 50 / 50 realizacja I out τ = 2I ω 1 + cos ωτ Analiza fourierowska widma daje dużo wartości τ opowiadających różnym centrom rozpraszającym. Metodami numerycznymi odzyskujemy natężenie światła rozproszonego w funkcji położenia w głąb próbki

10 UMK, Instytut Fizyki, Zespół Fizyki Medycznej OCT, 3

11 OCT, 4 UMK, Instytut Fizyki, Zespół Fizyki Medycznej a b c d a starcze zwyrodnienie plamki żółtej b tarcza nerwu wzrokowego w jaskrze c dziura w plamce żółtej d deformacja tęczówki odklejona siatkówka

12 BHP laserów, 1 a oczy b c d

13 BHP laserów, 2 a oczy b c d

14 BHP laserów, 3 a skóra b c d

15 foto-ablacja w okulistyce, 1 Fotoablacja usuwanie materiału organicznego przy pomocy wiązki lasera UV PRK: epithelium scraped off and photoablation applied directly to the central 5 7 mm corneal region

16 foto-ablacja w okulistyce, 2 Problem: matowienie rogówki przed zabiegiem 6 miesięcy po zabiegu JULY/AUGUST 2006 I CATARACT & REFRACTIVE SURGERY TODAY EUROPE

17 foto-ablacja w okulistyce, 3 Excimer laser engraving of human hair LASIK: Laser-ASsisted In-situ Keratomilieusis LASIK: (1) odcięcie płatka, (2) rzeźbienie laserem UV, (3) przykrycie płatkiem Rabbit cornea showing clean region of ablation through half of corneal thickness

18 Extinction Coefficient (cm -1 ) foto-koagulacja w okulistyce, 1 Fotokoagulacja spiekanie pękniętych i pasożytniczych naczyń kwionośnych Widma absorpcji ważnych chromoforów występujących w oku 10 4 Ar 488 Ar 515 Kr 568 Kr 647 Nd-YAG 1,064 nm Deoxy-Hb HbO 2 1 xanthophyll Wavelength (nm)

19 foto-koagulacja w okulistyce, 2 Dno oka przed zabiegiem nowe naczynia krwionośne oraz struktury włókniste

20 foto-koagulacja w okulistyce, 3 Dno oka po zabiegu

21 NIF, 1 National Ignition Facility 200MJ, 4ns 500TW =5x10 14 W 192 wiązki laserowe cel = laserowa fuzja termojądrowa D T He n

22 NIF, 2

23 laser NIF, 3 3 deformowalne lustro kryształ KDP

24 NIF, 4 Inertial confinement fusion The deuterium-tritium L function (minimum n e τ E needed to satisfy the Lawson criterion) minimizes near the temperature 25 kev (300 million kelvins).

25 NIF, 5 komora hohlraum

26 wykład 10: teleskop z optyką adaptatywną Keck Observatory Uran, Palomar 5 m, 1-2mm

27 laserowa gwiazda przewodnia Na λ = 589,963 h 90km

28 historia zegarmistrzostwa, 1 Średniowiecze: zegary mechaniczne AD wiek: Galileusz, wahadło 17 wiek: zegary wahadłowe Huyghens,

29 historia zegarmistrzostwa, , Board of Longitude ogłasza Longitude Prize Izaac Newton (Board member): "...by reason of the Motion of a Ship, the Variation of Heat and Cold, Wet and Dry, and the Difference of Gravity in Different Latitudes, such a Watch hath never been made." 12 cm 1 m H4 John Harrison ( ) H2 20 wiek zegary wahadłowe: - Riefler 10-7 (5 sekund na rok) - Shortt (1 sekunda na rok) odniesienie - astronomia

30 podstawy fachu oscylator przekładnia licznik/wyświetlacz

31 historia zegarmistrzostwa, 3 Początek 20 wieku: pierwsze zegary elektryczne 1929: pierwszy zegar kwarcowy 1955: atomowy zegar cezowy L. Essen, NPL

32 podstawowe jednostki SI

33 definicja sekundy i metra Od 1967: 1 second = the duration of periods of the radiation corresponding to the transition between the two hyperfine levels of the ground state of the caesium 133 atom. Od 1983: The metre is the length of the path traveled by light in vacuum during a time interval of 1/299,792,458 of a second.

34 mikrofalowy zegar cezowy 133 Cs F=3 F=4 oven N N microvawe cavity detektor S S poszerzenie dopplerowskie skończony czas oddziaływania counter

35 fontanna cezowa Δν ν

36 dlaczego zegar optyczny? Odchylenie Allana dla zegarów atomowych: σ τ = Δf rms f τ δf f gdzie: f częstość przejścia w atomie δf szerokość linii spektralnej τ czas uśredniania N liczba atomów 1 τn mikrofale f 0 = Hz światło f 0 = Hz Allan, D. W. Statistics of atomic frequency standards, Proc. IEEE 54, (1966). Jak zliczać oscylacje? łańcuchy częstości optyczny grzebień częstości

37 architektura zegara optycznego ν = Hz Δν 1 Hz niski szum fazowy laser wzorzec atomowy ν = Hz Δν 1 Hz stabilność długoczas. niski szum fazowy fs grzebień częstości PD wyjście RF

38 jak dobre są zegary atomowe? Sr N. Hinkley, et al., An atomic clock with instability, Science Express, Aug. 22, 2013 pozostałe: P. Delva, J.Lodewyck, Atomic clocks: new prospects in metrology and Geodesy, arxiv: v1 Warszawa,

39 po co lepszy zegar? stała struktury subtelnej, α α = e2 4πε 0 ħc ν Al + ν Hg + = (55) α α = 1.6 ± /rok Polski Optyczny Zegar Atomowy T. Roseband et al., Science 319, (2008)

40 wojsko Northrop Grumman Corporation (NYSE:NOC) has produced the most powerful light ray yet created by an electric laser, measured at more than 105 kilowatts (kw) Laser Centurion 7x15kW

41 Optyczny Grzebień Częstości (OGC), 1 T=1/f r E f = E p (f) f CE = f r Δφ 2π k=0 δ f kf r f CE I(f) f CE Df f r f c f

42 Jak mierzyć f CE? E(f) Interferometr f 2f f r f CE 0 f 0 nf r + f CE f 2nf r + f CE x2 2nf r + 2f CE f CE

43 stabilizacja częstości grzebienia AOM PF laser pompujący laser fs interferometr f + 2f f r PLL f CE PLL wzorzec częstości f r = k f r + f CE

44 Jak mierzyć częstość lasera? f k = f CE + k f r laser fs interferometer f + 2f f r = f l f CE ± f b k f CE PLL f r PLL f b f k f l stabilny laser k 1 k k + 1 f wyjście RF

45 maser wodorowy hydrogen atom ground state hyperfine splitting Ramsey, S 1/2 (F=1) 1 S 1/2 (F=0) 1,420,405,752 Hz

46 zegar rubidowy microwave cavity feeback PD Lamp 87 Rb Filter 85 Rb Res. cell 85 Rb Hz filtering 5 1 P 1/2 5 1 P 1/2 5 1 P 1/2 opical pumping 5 1 S 1/2 F=2 F=1 F=2 5 1 S 1/2 F=1 F=2 5 1 S 1/ GHz 87 Rb 85 Rb F=1 87 Rb