Podstawy Fizyki III: Optyka z elementami fizyki współczesnej wykład 29, 26.01.2018 wykład: pokazy: ćwiczenia: Czesław Radzewicz Mateusz Winkowski, Łukasz Zinkiewicz Radosław Łapkiewicz
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
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 < 10 16 6. Moc szczytowa (fizyka ekstremalna) P 5 10 17 W 7. Natężenie (fizyka ekstremalna) I 10 21 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 = 10 16 s
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
mikroobróbka laserowa, 2 Źródła: skrzydło motyla Szczeliny 40 mm w cyrkonii o grubości 100 mm
produkcja stentów mikroobróbka laserowa, 3
mikroobróbka laserowa, 4 światłowody w szkle
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
Optical Coherence Tomography (OCT), 1 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
UMK, Instytut Fizyki, Zespół Fizyki Medycznej OCT, 2
OCT, 3 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
BHP laserów, 1 a oczy b c d
BHP laserów, 2 a oczy b c d
BHP laserów, 3 a skóra b c d
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
foto-ablacja w okulistyce, 2 Problem: matowienie rogówki przed zabiegiem 6 miesięcy po zabiegu JULY/AUGUST 2006 I CATARACT & REFRACTIVE SURGERY TODAY EUROPE
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
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 10 3 10 2 10 Deoxy-Hb HbO 2 1 xanthophyll 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Wavelength (nm)
foto-koagulacja w okulistyce, 2 Dno oka przed zabiegiem nowe naczynia krwionośne oraz struktury włókniste
foto-koagulacja w okulistyce, 3 Dno oka po zabiegu
NIF, 1 National Ignition Facility 200MJ, 4ns 500TW =5x10 14 W 192 wiązki laserowe cel = laserowa fuzja termojądrowa D T He n 2 3 4 1 1 1 2 1
NIF, 2
laser NIF, 3 3 deformowalne lustro kryształ KDP
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).
NIF, 5 komora hohlraum
wykład 10: teleskop z optyką adaptatywną Keck Observatory Uran, Palomar 5 m, 1-2mm
laserowa gwiazda przewodnia Na λ = 589,963 h 90km
podstawy fachu zegarmistrza oscylator przekładnia licznik/wyświetlacz
DennisD McCarthy, Evolution of time scales from astronomy to physical metrology, Metrologia 48 S132-S144 (2011) historia zegarmistrzostwa, 1
historia zegarmistrzostwa, 2 Początek 20 wieku: pierwsze zegary elektryczne 1929: pierwszy zegar kwarcowy 1955: atomowy zegar cezowy L. Essen, NPL
podstawowe jednostki SI
definicja sekundy i metra Od 1967: 1 second = the duration of 9 192 631 770 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.
mikrofalowy zegar cezowy 133 Cs F=3 F=4 oven N N microvawe cavity detektor S S stabilność zegara cezowego jest ograniczona bo: poszerzenie dopplerowskie skończony czas oddziaływania counter
dlaczego optyczny zegar atomowy? 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 = 10 9 10 10 Hz światło f 0 = 10 14 10 15 Hz Allan, D. W. Statistics of atomic frequency standards, Proc. IEEE 54, 221-230 (1966). Jak zliczać oscylacje? łańcuchy częstości optyczny grzebień częstości
architektura zegara optycznego ν = 10 14 1015 Hz Δν 1 Hz niski szum fazowy laser wzorzec atomowy ν = 10 14 10 15 Hz Δν 1 Hz stabilność długoczas. niski szum fazowy fs grzebień częstości PD wyjście RF
jak dobre są zegary atomowe? Sr N. Hinkley, et al., An atomic clock with 10-18 instability, Science Express, Aug. 22, 2013 pozostałe: P. Delva, J.Lodewyck, Atomic clocks: new prospects in metrology and Geodesy, arxiv:1308.6766v1
jak dobre są zegary atomowe? Sr N. Hinkley, et al., An atomic clock with 10-18 instability, Science Express, Aug. 22, 2013 pozostałe: P. Delva, J.Lodewyck, Atomic clocks: new prospects in metrology and Geodesy, arxiv:1308.6766v1 Warszawa, 2016-01-1
po co nam lepszy zegar? stała struktury subtelnej, α α = e2 4πε 0 ħc 1 137 ν Al + ν Hg + = 1.052871833148990438(55) α α = 1.6 ± 2.3 10 17 /rok Polski Optyczny Zegar Atomowy T. Roseband et al., Science 319, 1808-1811 (2008)
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
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
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
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
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
maser wodorowy hydrogen atom ground state hyperfine splitting Ramsey, 1960 1 S 1/2 (F=1) 1 S 1/2 (F=0) 1,420,405,752 Hz
zegar rubidowy microwave cavity feeback PD Lamp 87 Rb Filter 85 Rb Res. cell 85 Rb 6 834 682 610. 904 324 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 1/2 0 6.83 GHz 87 Rb 85 Rb F=1 87 Rb
fontanna cezowa Δν ν 6 10 16