LASERY NA SWOBODNYCH ELEKTRONACH

LASERY NA SWOBODNYCH
ELEKTRONACH
Przygotowali:
Arkadiusz Robiński
Mariusz Nowaczyk
Mateusz Kubiak
Krzysztof Konwisarz
Co to jest laser ?
Light
Amplification by
Stimulated
Emission of
Radiation
- wzmocnienie światła przez wymuszoną emisję
promieniowania
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 (1927 – 2007)
W 1963 r. w Wojskowej Akademii Technicznej wybudowano pierwszy polski laser
(gazowy – helowo – neonowy)
●
Theodor Harold Maiman
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
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
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



Na centrach barwnych
Rentgenowskie
Na swobodnych elektronach
Widmo częstotliwości przykładowych laserów
A jak działa FEL?
Zestaw małego majsterkowicza:
synchrotron lub akcelerator liniowy
undulator (czyli gwóźdź programu)
elektrony
Działanie undulatora:
pole magnetyczne działa na elektrony
elektrony przyspieszane i zwalniane
powstaje promieniowanie hamowania
promieniowanie hamowania sciska elektrony
Skupianie elektronów
Coś dla oka
http://youtube.com/watch?v=z7IA9-gSo_Q
Niech MOC będzie z nimi? MOC już
z nimi JEST!
http://youtube.com/watch?v=OtnqJUXZLjM
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.
Czy laser na swobodnych elektronach jest
naprawdę taki „fajny”?
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.
Wg Nas FEL jak nic wcześniej nadaje się do stworzenia tego
rewolucyjnego urządzenia:
Prototyp tego urządzenia został już skonstruowany...
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.
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.
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.


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.
Kto z Was by chciał, aby coś takiego Wam robiono?
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.
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.
Własności

Możliwość regulacji

poprzez zmianę


energii strumienia elektronów
siły pola magnetycznego w undulatorze
=> dostosowanie częstotliwości generowanego
promieniowania do potrzeb
 zmiana nawet 10-krotna
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
Własności

Dobre charakterystyki promieniowania



wysoka spójność w czasie i przestrzeni
polaryzacja
Szeroki zakres długości fali



od ultrafioletu
do promieniowania rentgenowskiego
najmniej: 190 nm
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)
Konsorcjum IRUVX
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)
Projekt POLFEL

Ośrodek Naukowy Świerk (Otwock)
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
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.
Materiały

www.polfel.pl – informacje o projekcie POLFEL


http://www.iruvx.eu/
"Free Electron Lasers And Other Advanced
Sources Of Light", Praca zbiorowa, National
Academy Press, Washington, D.C., 1994
DZIĘKUJEMY!