Niezwykłe światło ultrakrótkie impulsy laserowe Laboratorium Procesów Ultraszybkich Zakład Optyki Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego
Światło Fala elektromagnetyczna Dla światła widzialnego długość fali mieści się w zakresie 400-800 nm 1 nm (nanometr) = 1 miliardowa część metra
Światło klasyczne Szerokie widmo Mała spójność Światło laserowe Wąskie widmo Duża spójność wynalazek lasera rok 1969
Ultrakrótkie impulsy laserowe Szerokie widmo ale Światło spójne
Laser impulsowy Laser pracy ciągłej Natężenie pola elektrycznego 1.0 Natężenie pola elektrycznego Natężenie pola elektrycznego 1.0 0.5 0.0-0.5-1.0 0.5 0.0-0.5-1.0-20 -15-10 -5 0 5 10 15 20-20 -15-10 -5 0 Czas 5 10 15 20 Czas Natężenie światła 1.0 Natężenie światła Natężenie światła 1.0 0.5 0.0 0.5 0.0-20 -15-10 -5 0 5 10 15 20 Czas -20-15 -10-5 0 5 10 15 Czas 20
Skale czasu 1018 s 1-109 s 10-1 s 1 fs = 10-15 s 10-15 wiek Wszechświata = 8 min 10-100 fs
Moc Laser pracy ciągłej Laser femtosekundowy 10 ns ze wzmacniaczem moc szczytowa = moc średnia (układ laboratoryjny) wskaźnik: laser kosmetyczny: laser spawalniczy: laser chemiczny (broń laserowa): 1 mw ~10 W ~100 W <100 kw 1-100 ms 10 fs czas moc szczytowa 10-100 fs = czas 106 moc średnia 10 100-1000 kw 10 W 1012 W
Granice mocy Elektrownia atomowa: ~109 W Moc: > 1015 W Impuls: 440 fs
Oddziaływanie ultrakrótkich impulsów światła z materią
Generacja drugiej harmonicznej
Generacja światła białego? przezroczysty ośrodek Wiązka impulsów soczewka ekran
Generacja światła białego
Natężenie światła w ognisku Moc szczytowa w impulsie: P = 1010 W Promień ogniska: r = 0.01 mm Natężenie światła: P 19 W I= 3 10 2 2 πr m Natężenie światła słonecznego na Ziemi: W I S 1,3 10 2 m 3
Optyczny efekt Kerra Przy dużych natężeniach światła współczynnik załamania zależy od natężenia światła: n = n0 + n2 I Natężenie światła w impulsie zależy od czasu: I duże I małe I małe czas Impuls widzi zmienny w czasie współczynnik załamania (samomodulacja fazy) Powstają nowe częstości (barwy)
Wytwarzanie ultrakrótkich impulsów światła
Jak powstają krótkie impulsy? Między zwierciadłami lasera musi się mieścić całkowita liczba połówek fali LAS E R Laser jednomodowy
Jak powstają krótkie impulsy? Między zwierciadłami lasera musi się mieścić całkowita liczba połówek fali LAS E R 5 modów Laser wielomodowy z synchronizacją modów
Jak powstają krótkie impulsy? Między zwierciadłami lasera musi się mieścić całkowita liczba połówek fali LAS E R 100 modów Laser wielomodowy z synchronizacją modów
Wymuszanie pracy impulsowej Przy dużych natężeniach światła ujawnia się optyczny efekt Kerra Współczynnik załamania zależy od odległości od osi wiązki Samoogniskowanie wiązki o dużym natężeniu Laser pracuje w tym trybie, w którym ma mniejsze straty (dzięki szczelinie w trybie impulsowym)
Lasery femtosekundowe Edmonton, Berlin,Kanada Niemcy
Zastosowania ultrakrótkich impulsów światła
Dynamika reakcji chemicznych Zrywanie i powstawanie wiązań chemicznych zachodzi w skali femtosekund
Absorpcja przejściowa Impuls pompujący: Impuls sondujący: wzbudzenie cząsteczek monitorowanie zmian absorpcji start badanego procesu fotografia w trakcie procesu długość fali dopasowana do badanej reakcji wiele różnych długości fali Układ pomiarowy
Wynik doświadczenia Czerwony cząsteczki absorbują światło 550 575 600 625 Niebieski: cząsteczki wzmacniają światło 650 675-500 0 1000 2000 3000 Opóźnienie [fs] Interpretacja
Mikroskopia dwufotonowa Główny odbiorca laserów femtosekundowych! dwa fotony absorbowane absorbowany foton emitowany foton Prawdopodobieństwo proporcjonalne natężenia światła do absorpcji emitowany foton Prawdopodobieństwo proporcjonalne kwadratu natężenia do światła absorpcji
Mikroskopia dwufotonowa obiektyw fotonyz są tylko obszaru emitowane ogniska bardzo duża absorpcja duże natężenie małe natężenie znikoma absorpcja
Mikroskopia dwufotonowa Obrazy 3D! Winfried Denk, Karel Svoboda, 1997
Obróbka metalu impuls nanosekundowy impuls femtosekundowy średnica otworu: 100 µm
Obróbka metalu
Obróbka metalu Biotronik GMBH
Laserowa korekcja wad wzroku Standardowa metoda: 1. Ostrze ścina zewnętrzną warstwę rogówki 2. Laser usuwa fragmenty głębszych części rogówki
Laserowa korekcja wad wzroku Mechaniczne usuwanie zewnętrznej warstwy rogówki
Laserowa korekcja wad wzroku
Laserowa korekcja wad wzroku Laserowa obróbka materiałów przezroczystych
Laserowa korekcja wad wzroku Laserowe usuwanie zewnętrznej warstwy rogówki
Laserowa korekcja wad wzroku Laserowe usuwanie zewnętrznej warstwy rogówki Możliwe dzięki zastosowaniu laserów femtosekundowych (pozwalają operować poprzez zewnętrzną warstwę rogówki, nie niszczą sąsiadujących tkanek)
Przyszłość Rozwój laserów impulsowych Wzrost mocy TTT Table Top Terawatt (stołowe układy terawatowe) doświadczenia z ultrasilnymi natężeniami światła nie wymagające dużych nakładów finansowych Krótsze impulsy Lasery attosekundowe badania dynamiki elektronów w pojedynczych atomach
Przyszłość TTT Table-Top Terawatt (małe systemy terawatowe) doświadczenia z ultrasilnymi natężeniami światła nie wymagające dużych nakładów finansowych Lasery attosekundowe badania dynamiki elektronów w pojedynczych atomach