LASERY NA SWOBODNYCH ELEKTRONACH. Przygotowali: Arkadiusz Robiński Mariusz Nowaczyk Mateusz Kubiak Krzysztof Konwisarz

Transkrypt

1 LASERY NA SWOBODNYCH ELEKTRONACH Przygotowali: Arkadiusz Robiński Mariusz Nowaczyk Mateusz Kubiak Krzysztof Konwisarz

2 Co to jest laser? Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - wzmocnienie światła przez wymuszoną emisję promieniowania

3 Początek kariery laserów Prekursorem laserów był maser, który różnił się od lasera głównie częstotliwością emitowanego promieniowania emitował promieniowanie mikrofalowe Pierwszy laser powstał w 1960 roku był to laser rubinowy. Został stworzony przez amerykańskiego fizyka Theodora Harolda Maimana ( ) W 1963 r. w Wojskowej Akademii Technicznej wybudowano pierwszy polski laser (gazowy helowo neonowy) Theodor Harold Maiman

4 Czym różni się światło laserowe od światła emitowanego np. przez żarówkę? Klasyczne źródło światła Szerokie pasmo częstotliwości Światło niespolaryzowane Fale rozchodzą się we wszystkich kierunkach Słaba moc światła na jednostkę powierzchni Światło laserowe Wąskie widmo częstotliwości Można uzyskać polaryzację (np. liniową) Wiązka mało rozbieżna biegnąca wzdłuż linii prostej Duża gęstość mocy

5 Elementy budowy lasera Ośrodek czynny substancja w której następuje akcja laserowa Układ pompujący układ zmuszający ośrodek czynny do emisji fotonów (utrzymujący atomy ośrodka czynnego w stanie wzbudzonym Układ optyczny wprowadza pętlę sprzężenia zwrotnego - powoduje, że wychodząca wiązka jest spójna i o wąskim widmie częstotliwości

6 Klasyfikacja laserów ( z przykładami) Na ciele stałym rubinowy, neodymowy na szkle Gazowe helowo neonowy, argonowy, kryptonowy Półprzewodnikowe na studniach kwantowych, laser kaskadowy Chemiczne wykorzystujące reakcję syntezy wzbudzonego HF lub DF Barwnikowe z roztworem rodaminy

7 Na centrach barwnych Rentgenowskie Na swobodnych elektronach Widmo częstotliwości przykładowych laserów

8 A jak działa FEL?

9 Zestaw małego majsterkowicza: synchrotron lub akcelerator liniowy undulator (czyli gwóźdź programu) elektrony

10

11 Działanie undulatora: pole magnetyczne działa na elektrony elektrony przyspieszane i zwalniane powstaje promieniowanie hamowania promieniowanie hamowania sciska elektrony

12 Skupianie elektronów

13 Coś dla oka

14

15 Niech MOC będzie z nimi? MOC już z nimi JEST!

16 Zastosowania laseru na swobodnych elektronach co w trawie piszczy, czyli dlaczego FEL jest fajny FEL w przyszłości? (wizja autorska), w fizyce, w materiałoznawstwie, w ekologii, w medycynie, w biologii.

17 Czy laser na swobodnych elektronach jest naprawdę taki fajny?

18 TAK! TAK: PIERWSZE FEL pozwala Nam na generowanie wiązki promieniowania o długości którą możemy regulować. Od wielkości fal milimetrowych do promieniowania rentgenowskiego. TAK: DRUGIE Intensywność i jakość takiego promieniowania przewyższa tysiące razy (10.^3) obecne źródła promieniowania. TAK: TRZECIE Jesteśmy w stanie uzyskać promieniowanie o zakresie dotychczas niedostępnym, np. zakres terahercowy.

19 Wg Nas FEL jak nic wcześniej nadaje się do stworzenia tego rewolucyjnego urządzenia: Prototyp tego urządzenia został już skonstruowany...

20

21 FEL w fizyce? badanie takich struktur kwantowych jak: fonony, plazmony, energie wiązania atomów domieszek czy poziomy energetyczne w drutach kwantowych analiza spektroskopowa: jeden impuls energii służy do wzbudzenia a drugi, który jest opóźniony w stosunku do pierwszego, do analizy efektów wywołanych przez wzbudzenie.

22 Materiałoznawstwo? FEL? Da się to połączyć? promieniowanie to może służyć do identyfikacji związków chemicznych (zakres terahercowy jest typowy dla częstotliwości drgań cząstek cieczy i wielu molekuł), terahercowa bramka na lotnisku mogłaby pozwolić na identyfikację nawet śladowych ilości substancji chemicznych wnoszonych przez człowieka na pokład samolotu.

23 GreenPeace kocha FEL?! badanie zanieczyszczenia związane z obecnością metali ciężkich, takich jak ołów, kadm czy też izotopy radioaktywne, które mogą pochodzić bądź to ze źródeł naturalnych lub zostać uwolnione w wyniku awarii reaktora jądrowego wykorzystanie lasera na swobodnych elektronach do budowy strojonego w szerokim zakresie częstotliwości lidara. Dzięki temu będzie możliwa detekcja i mapowanie w czasie rzeczywistym procesów zachodzących w atmosferze.

24 Lidar jest połączeniem lasera z teleskopem. Laser wysyła poprzez układ optyczny bardzo krótkie i silne impulsy światła o konkretnej długości fal. Światło ulega rozproszeniu, które jest obserwowane za pomoc teleskopu, a następnie rejestrowane za pomocą czułego detektora. Lidar służy do wyznaczania przejrzystości powietrza, badania koncentracji zanieczyszczeń w atmosferze i detekcji ich składu, wykrywania obszarów o odmiennej temperaturze, pomiaru ruchów powietrza na dużych odległościach.

25 Kto z Was by chciał, aby coś takiego Wam robiono?

26 Jest na to ratunek, który nazywa się FEL! dostrojenie długości fali promieniowania tak, aby uzyskać selektywne, bezpośrednie niszczenie chorych komórek przy minimalnym uszkodzeniu otaczającej, zdrowej tkanki, pozwala na obrazowanie narządów wewnętrznych przy bardzo niskim ryzyku napromieniowania, identyfikacja związków chemicznych i molekuł organicznych, co w połączeniu z wysoką przenikalnością tego promieniowania przez tkankę żywą otwiera niesamowite wprost możliwości diagnostyczne, przy operacji krtani nawet nieznaczne uszkodzenia strun głosowych mogą prowadzić do nieodwracalnej utraty głosu. Chirurgia laserowa oparta na FEL minimalizuje to ryzyko a nawet umożliwi usunięcie uszkodzeń (np. blizn) powstałych w wyniku operacji.

27 Czego jeszcze nie było... ach tak biologii! rejestrowanie zmian w układzie molekuł podczas ich modyfikacji, co można przyrównać do kręcenia filmów przedstawiających przebieg procesów biologicznych, takich jak śmierć komórki, wychwyt fotonu przez chlorofil i wiele, wiele innych.

28 Własności Możliwość regulacji poprzez zmianę energii strumienia elektronów siły pola magnetycznego w undulatorze => dostosowanie częstotliwości generowanego promieniowania do potrzeb zmiana nawet 10-krotna

29 Własności Bardzo wysokie natężenie w maksimum impulsu Elastyczna struktura generowanego impulsu zależy od struktury impulsu strumienia elektronów uzyskiwanie impulsów rzędu pikosekund (10^-12) z sub-pikosekundowymi wahaniami regulowanie odległości między impulsami wytwarzanie skomplikowanych struktur impulsów

30 Własności Dobre charakterystyki promieniowania wysoka spójność w czasie i przestrzeni polaryzacja Szeroki zakres długości fali od ultrafioletu do promieniowania rentgenowskiego najmniej: 190 nm

31 Laboratoria FEL na świecie SCSS Prototype (Japonia) Duke (USA) Jefferson Lab (USA) ENEA (Włochy) FLASH w DESY (Niemcy) FERMI w ELETTRA (Włochy) W przygotowaniu: 4GLS w Daresbury (Wielka Brytania), BESSY (Berlin, Niemcy), Max Lab (Lund, Szwecja)

32 Konsorcjum IRUVX

33 Projekt POLFEL Laser na swobodnych elektronach (Free Electron Laser) Zasilany wiązką z nadprzewodzącego liniowego akceleratora elektronów Ciągłą wiązka elektronowa o energii 600 MeV Długość fali: podstawowa - 27 nm, trzecia harmoniczna - 9 nm Maksymalna moc wiązki światła w impulsie: 0.22 GW Długość urządzenia: do 400 m Koszt: 100 M (FEL + jedna stacja badawcza) do 200 M (FEL + 6 stacji badawczych)

34 Projekt POLFEL Ośrodek Naukowy Świerk (Otwock)

35

36 Projekt POLFEL - cel Unikalne urządzenie badawcze dla polskiej nauki i przemysłu (w ramach ESFRI IRUVX FELs Network ) Baza badawcza i szkoleniowa dla badań materiałowych, środowiskowych, medycznych i biologicznych Poligon szkoleniowy dla technologii akceleratorowych, laserowych, detekcyjnych

37 Projekt POLFEL - możliwości Badanie elektronowych właściwości molekuł i skondensowanej materii Trójwymiarowe zdjęcia struktur atomowych Rejestracja procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych w wymiarach atomowych i w femtosekundowej skali czasu.

38

39 Materiały informacje o projekcie POLFEL "Free Electron Lasers And Other Advanced Sources Of Light", Praca zbiorowa, National Academy Press, Washington, D.C., 1994

40 DZIĘKUJEMY!