LASERY DUŻEJ MOCY ZASTOSOWANIE CZY I DO CZEGO MOGĄ SŁUŻYĆ LASERY TERAWATOWE?

Transkrypt

1 LASERY DUŻEJ MOCY ZASTOSOWANIE CZY I DO CZEGO MOGĄ SŁUŻYĆ LASERY TERAWATOWE? Paweł Wnuk, Czesław Radzewicz kierownik projektu: Yuriy Stepanenko Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski

2 Plan wystąpienia Lasery wysokiej mocy szczytowej czy mają zastosowania? Metody wytwarzania wysokich mocy szczytowych Wypracowane technologie Zastosowania praktyczne demonstratory Coś dla fanów Gwiezdnych Wojen Podsumowanie

3 Do czego potrzebne są wysokie moce szczytowe? Wysokie tj. TW - PW ( W) Dzisiaj: Jutro: Pojutrze: Plazma generowana laserowo Czasowo rozdzielcze badania z promieniami X Badania podstawowe LIDAR z fialmentami Alternatywa dla cyklotronów Spójne źródło promieniowania X Terapia hadronowa Szybka synteza termojądrowa Polaryzacja próżni QED - limit Schwingera Generacja par pozyton elektorn

4 OPCPA Optical Parametric Chirped Pulse Amplifier Zalety: Szerokie pasmo wzmocnienia, tym samym krótkie impulsy Wysokie wzmocnienie na pojedyncze przejście: >10 2 Wysoki kontrast impulsów Brak efektów termicznych Wady: Efektywność zależy zarówno od przestrzennego jak i czasowego przekrywania impulsów D. Strickland, G. Mourou, Compression of amplified chirped optical pulses, Opt. Commun. 56, 219(1985) A. Dubietis, G. Jonusauskasand A. Piskarskas, "Powerful femtosecond pulse generation by chirpedand stretched pulse parametric amplification in BBO crystal," Opt. Commun. 88, (1992)

5 Wieloprzejściowy przedwzmacniacz, pojedynczy kryształ, 3 przejścia Wyniki: Wzmocnienie na przejście ~ Energia wiązki pompującej 130 mj Energia wyjściowa 12 mj, RMS 0.9 mj

6 Wzmacniacz mocy Intensity, arb. units Wavelength, nm E out =230 mjrms12 mj(e pump =750mJ) Sprawność: 31%

7 OPCPA, Parametry końcowe Energia impulsu >180 mj Czas trwania <16 fs Moc szczytowa >10 TW Sprawność >30%

8 Wypracowane techniki i narzędzia Charakteryzacja i optymalizacja fazy spektralnej, czas trwania impulsu 5 4 Spectral intensity, arb. units Spectral phase, rad Temporal intensity, arb. units 16 fs Wavelength, nm Time, fs Optymalizacja fazy spektralnej metodą interferencji spektralnej Widmo oraz faza spektralna odzyskana metodą SPIDER Przebieg czasowy wyliczony z widma i fazy. Schemat synchronizacji czasowej lasera pompującego i oscylatora femtosekundowego: opiera się na dwóch generatorach opóźnień obniżenie częstość repetycji z 80 MHz do 10 Hz niezależne opóźnienie od częstości repetycji oscylatora jitter czasowy na poziomie 25 ps RMS

9 Autokorelator trzeciego rzędy do pomiaru kontrastu impulsów Dynamika urządzenia > 13 rzędów wielkości Zdjęcie układu korelatora krzyżowego III rzędu do pomiaru kontrastu ultrakrótkich impulsów laserowych. autor: J. Szczepanek

10 Mikroskop ogniska laserowego Wyposażony w kamerę CCD Pomiar ogniska od 5 µm Możliwość zmiany powiększenia Modułowa konstrukcja autor: J. Szczepanek

11 Femtosekundowy oscylator Widmo dopasowane do pasma wzmacniacza Brak pryzmatów <10 fs czas trwania impulsów >500 mw mocy wyjściowej autor: Y. Stepanenko

12 Nasze demonstratory Współpraca z WAT: Tomasz Fok, Łukasz Węgrzyński, Andrzej Bartnik, Henryk Fiedorowicz

13 Komora generatora promieniowania X port wejściowy promieniowania laserowego scyntylator Soczewka skupiająca tarcza Okno wyjściowe

14 Generator X wyniki Stos folii aluminiowych prześwietlonych promieniowaniem rentgenowskim 1,2 1 Transmisja [%] 0,8 0,6 0,4 0, Nr piksela

15 Generator X wyniki Zdjęcie muchy Selekcja linii K-α miedzi

16 Demonstrator LIDAR n(i,λ)=n 0 (λ)+n 2 (λ)i Możliwe jest samoogniskowanie impulsów, tworzenie się filamentów dla szkła n 2 = cm 2 /W dla powietrza n 2 = cm 2 /W Generacji światła białego przy pomocy niskoenergetycznych impulsów femtosekundowych w kwarcowej płytce szklanej.

17 Demonstrator LIDAR Konfiguracja eksperymentu do LIDAR z wykorzystaniem filamentów Sygnał LIDARowy; widoczne są wyraźne sygnały pochodzące zarówno od mgiełki wodnej jak i rozpraszacza na końcu korytarza.

18 Demonstrator LIDAR - filamentacja Filamentacja wiązki impulsów femtosekundowych w powietrzu na drodze 63 m a) ślady impulsów na papierze fotoczułym b) odtworzony przestrzenny rozkład natężenia c) trójwymiarowy widok wiązki z fialmentami d) profil natężenia filamentu wraz z dopasowaniem funkcji Gaussa.

19 Demonstrator LIDAR - filamentacja Obraz z kamery iccd, wyposażonej w filtr barwny odcinający fundamentalną długość fali światła laserowego Krótki impuls Długi impuls

20 Demonstrator LIDAR - filamentacja Widmo światła białego generowanego podczas propagacji impulsu w powietrzu (czerwona krzywa), oraz widmo impulsów wejściowych (linia czarna). zastosowanie w zdalnej detekcji składu atmosfery (wykrywanie broni chemicznej) zdalna identyfikacja substancji (np. LIBS) sprowadzanie piorunów monitoring zanieczyszczeń

21 Filamentacja w powietrzu Zdjęcia przedstawiające nieliniową propagację femtosekundowych impulsów terawatowych w powietrzu; a) widok wzdłuż wiązki, b) rozpraszanie światła na aerozolu z wody, c) uformowany filament na tle wiązki, d) wygenerowane światło białe.

22 Film przedstawiający propagacje filamentu wygenerowanego przez impuls lasera terawatowego w serwisie YouTube: został przez ponad 500tysięcy osób w ciągu tygodnia od publikacji.

23

24 Popularyzacja: Umieszczenie informacji o Projekcie na polskich oraz zagranicznych portalach internetowych: The art of amplification: a desktop-size 10 terawatt laser A 'Star Wars' laser bullet -- this is what it really looks like Discovery Channel Scientific America Audycja w Polskim Radio RDC poświęcona ultraszybkim laserom, 2014 Projekt został finalistą konkursu TVP SA Polski Wynalazek 2014

25 Podsumowanie Wnioski końcowe: Uzyskane parametry techniczne generatora OPCPA: Maksymalna energia impulsu: 260 mj (po kompresji mj) Czas trwania impulsu: <16 fs (moc szczytowa impulsu laserowego <10 TW) Stabilność energii impulsu: <3% RMS Rozmiary urządzenia 1.5 m x 2.5 m Powstały 2 demonstratory, pokazujące przydatność parametrycznego terawatowego źródła impulsów laserowych: Generator impulsów promieniowania X, składający się z próżniowej komory, wymiennej ruchomej tarczy metalicznej oraz układu detekcji. Układ LIDARowy z wykorzystaniem zjawiska filamentacji, składający się z optycznego układu zbierania sygnału oraz bramkowanej kamery iccd służącej do rejestracji czasowo rozdzielczych obrazów. Projekt nr. NR sponsorowany przez:

26 Dziękuję za uwagę