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
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
Do czego potrzebne są wysokie moce szczytowe? Wysokie tj. TW - PW (10 12-10 15 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
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, 437-440 (1992)
Wieloprzejściowy przedwzmacniacz, pojedynczy kryształ, 3 przejścia Wyniki: Wzmocnienie na przejście ~320-350 Energia wiązki pompującej 130 mj Energia wyjściowa 12 mj, RMS 0.9 mj
Wzmacniacz mocy Intensity, arb. units 740 760 780 800 820 840 860 880 900 920 940 960 Wavelength, nm E out =230 mjrms12 mj(e pump =750mJ) Sprawność: 31%
OPCPA, Parametry końcowe Energia impulsu >180 mj Czas trwania <16 fs Moc szczytowa >10 TW Sprawność >30%
Wypracowane techniki i narzędzia Charakteryzacja i optymalizacja fazy spektralnej, czas trwania impulsu 5 4 Spectral intensity, arb. units 3 2 1 0-1 -2-3 Spectral phase, rad Temporal intensity, arb. units 16 fs -4 780 800 820 840 860 880 900 920 940 960 Wavelength, nm -5-200 -150-100 -50 0 50 100 150 200 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
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
Mikroskop ogniska laserowego Wyposażony w kamerę CCD Pomiar ogniska od 5 µm Możliwość zmiany powiększenia Modułowa konstrukcja autor: J. Szczepanek
Femtosekundowy oscylator Widmo dopasowane do pasma wzmacniacza Brak pryzmatów <10 fs czas trwania impulsów >500 mw mocy wyjściowej autor: Y. Stepanenko
Nasze demonstratory Współpraca z WAT: Tomasz Fok, Łukasz Węgrzyński, Andrzej Bartnik, Henryk Fiedorowicz
Komora generatora promieniowania X port wejściowy promieniowania laserowego scyntylator Soczewka skupiająca tarcza Okno wyjściowe
Generator X wyniki Stos folii aluminiowych prześwietlonych promieniowaniem rentgenowskim 1,2 1 Transmisja [%] 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 100 200 300 400 500 Nr piksela
Generator X wyniki Zdjęcie muchy Selekcja linii K-α miedzi
Demonstrator LIDAR n(i,λ)=n 0 (λ)+n 2 (λ)i Możliwe jest samoogniskowanie impulsów, tworzenie się filamentów dla szkła n 2 =3.2 10-16 cm 2 /W dla powietrza n 2 =5.0 10-19 cm 2 /W Generacji światła białego przy pomocy niskoenergetycznych impulsów femtosekundowych w kwarcowej płytce szklanej.
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.
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.
Demonstrator LIDAR - filamentacja Obraz z kamery iccd, wyposażonej w filtr barwny odcinający fundamentalną długość fali światła laserowego Krótki impuls Długi impuls
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
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.
Film przedstawiający propagacje filamentu wygenerowanego przez impuls lasera terawatowego w serwisie YouTube: www.youtube.com/watch?v=sntz7my2rl8obejrzany został przez ponad 500tysięcy osób w ciągu tygodnia od publikacji.
Popularyzacja: Umieszczenie informacji o Projekcie na polskich oraz zagranicznych portalach internetowych: www.mt.com.pl/rekordowy_laser www.alphagalileo.org/viewitem.aspx?itemid=98492&culturecode=en www.sciencedaily.com/releases/2011/03/110316084915.htm www.fellowgeek.com/a-polish-scientists-start-building-super-laser-based-on-new-technology-ix1220.html. The art of amplification: a desktop-size 10 terawatt laser www.alphagalileo.org/viewitem.aspx?itemid=135070&culturecode=en www.eurekalert.org/pub_releases/2013-10/iopc-swc100313.php. A 'Star Wars' laser bullet -- this is what it really looks like www.eurekalert.org/pub_releases/2014-10/iopc-aw102214.php www.sciencedaily.com/releases/2013/10/131003093046.htm www.phys.org/news/2014-10-star-wars-laser-bullet.html www.techtimes.com/articles/18631/20141024/what-would-a-star-wars-laser-bullet-really-look-like.htm www.gmanetwork.com/news/story/385330/scitech/science/watch-scientists-make-real-life-star-wars-laser-bullet www.cnet.com/news/this-is-what-a-star-wars-blaster-bolt-would-look-like-in-real-life/ www.foxnews.com/tech/2014/10/24/star-wars-style-laser-blast-caught-on-camera/.. Discovery Channel Scientific America Audycja w Polskim Radio RDC poświęcona ultraszybkim laserom, 2014 Projekt został finalistą konkursu TVP SA Polski Wynalazek 2014
Podsumowanie Wnioski końcowe: Uzyskane parametry techniczne generatora OPCPA: Maksymalna energia impulsu: 260 mj (po kompresji - 182 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. NR02-0019-10 sponsorowany przez:
Dziękuję za uwagę