Jako miliarda Sluncí: Jak se chová světlo na nejzářivějším laseru světa?  
V Laboratoři extrémního záření Univerzity v Nebrasce mají nejvíce zářivý laser na světě. A nebojí se ho použít.
Výzkum v Laboratoři extrémního záření. Kredit: University Communication / University of Nebraska-Lincoln.
Výzkum v Laboratoři extrémního záření. Kredit: University Communication / University of Nebraska-Lincoln.

Představte si, že máte laser, jehož paprsek se vyrovná záři jedné miliardy Sluncí. Přesně takový laser se jmenuje Diocles (Dioklés) a mají ho v Laboratoři extrémního záření Univerzity v Nebrasce-Lincolnu (UNL). Jejich fyzici použili tento laser k výzkumu chování záření v extrémních situacích. Zajímala je interakce mezi zářením a hmotou, která způsobuje viditelnost objektů, a její změny. Výsledky výzkumu by pak bylo možné využít v různých aplikacích.

 

Donald Umstadter (2014). Kredit: UNL.
Donald Umstadter (2014). Kredit: UNL.

Donald Umstadter a jeho spolupracovníci vypálili laserem Dioklés do připravených elektronů. Během experimentu sledovali rozptyl fotonů extrémního laserového paprsku po zásahu elektronu. Jde o Thompsonův rozptyl (Thompson scattering), tedy rozptyl záření na volných elektronech. Za obvyklých podmínek, když světlo ze žárovky nebo třeba sluneční záření zasáhne povrch nějakého objektu, tak na něm dojde k rozptylu záření, díky němuž pak objekt vidíme.
Elektrony, tedy záporně nabité částice, které se podílejí na složení atomů, v běžné situaci rozptýlí vždy jen jediný foton. A i to se stává dost vzácně.

 

Rentgenový snímek harddisku získaný v experimentu s laserem Diocles. Kredit: Extreme Light Laboratory / University of Nebraska-Lincoln.
"Rentgenový snímek USB flešky" získaný v experimentu s laserem Diocles. Kredit: Extreme Light Laboratory / University of Nebraska-Lincoln.

Podle Umstadtera bývá elektron v povrchové vrstvě materiálu zasažen fotonem tak asi jednou za několik měsíců. Jenže v laserových experimentech, jako byl ten Umstadterův, to je jinak. Vědcům se doposud podařilo vyvolat na jednom elektronu rozptyl několika málo fotonů zároveň. Umstadter a spol. s laserem Diocles zvládli rozptyl téměř 1 000 fotonů na jediném elektronu najednou. Jejich ostře sledovaný výzkum v těchto dnech publikoval časopis Nature Photonics.

Laser Diocles. Kredit: UNL.
Laser Diocles. Kredit: UNL.

 

Extrémní laser přinesl extrémní výsledky. Jak fotony, tak i elektrony se v tomto experimentu chovaly velmi odlišně, než je u nich zvykem. Umstadterův tým pozoroval vznik unikátních rentgenových pulzů, které by se mohly stát základem nové technologie zobrazování s extrémně vysokým rozlišením. Když dojde k rozptylu fotonů standardního záření, tak se obvykle nezmění úhel směru pohybu fotonu ani jeho energie. Umstadter s kolegy ale zjistili, že existuje určitý práh zářivosti laserového paprsku, jehož překročení vede ke změně úhlu a vlnové délky rozptýleného záření.


Takto vzniklé pulzy rentgenového záření mají extrémní energii, která je ale zároveň soustředěna v úzkém rozmezí hodnot. Zároveň jsou velice krátké. S takovým rentgenovým zářením by bylo možné získat úžasné rentgenové snímky ve 3D, které zachytí i nanostruktury a přitom pacienta zatíží menší dávkou záření. Zařízení, které by mělo k dispozici takové záření, by prý mohlo vystopovat například obtížně zjistitelné nádory anebo mikrofraktury kostí. A nejde jenom o medicínu. Možné aplikace se nabízejí v polovodičových technologiích, bezpečnostních kontrolách nebo třeba při vývoji ultrarychlých kamer pro sledování pohybu elektronů či průběhu chemických reakcí.

Video:  Extreme Light Laboratory, University of Nebraska Lincoln.



Video:  Donald Umstadter on the Extreme Light Laboratory



Literatura
University of Nebrasca-Lincoln 26. 6. 2017, Nature Photonics online 26. 6. 2017.

Datum: 28.06.2017
Tisk článku

Nové pohledy na neinvazivní laser - Leoš Navrátil kolektiv a
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 339 Kč
cena: 288 Kč
Nové pohledy na neinvazivní laser
Leoš Navrátil kolektiv a
Související články:

Zařízení NIF odpálilo rekordní 500-terawattový zášleh laseru     Autor: Stanislav Mihulka (13.07.2012)
Skládáním laserů můžeme zmenšit urychlovače z kilometrů na metry     Autor: Stanislav Mihulka (30.05.2014)
Superlasery Hvězdných válek přestávají být science-fiction     Autor: Stanislav Mihulka (08.04.2017)
Výstřel nejsilnějšího rentgenového laseru stvořil „molekulární černou díru“     Autor: Stanislav Mihulka (04.06.2017)



Diskuze:

Harddisk :-))

Jiří Gutman,2017-06-28 22:40:56

Ten rentgenový snímek harddisku mne pobavil. Doufám, že tato pitomost vznikla až při překladu, jinak by ta univerzita byla dost pochybná. On to není ani flash disk, nejspíše vývojový kit pro komunikace s anténou vlevo dole.

Odpovědět

UNL -Laser

Vlastislav Výprachtický,2017-06-28 19:25:39

Využití lze směrovat i na modifikace krystalů, zejména kovových, a na povrchové úpravy nanočástic pro elektroniku.

Odpovědět

jas Slunce

Florian Stanislav,2017-06-28 16:54:54

https://www.sciencedaily.com/releases/2017/06/170626124428.htm
píše , že laser má jas (brightness) , který je miliardkrát větší, než je na povrchu Slunce.

Zářivost Slunce = svítivost Slunce =3 827*10^26 W.

Odpovědět


Re: jas Slunce

Ondřej Nosek,2017-06-28 19:59:26

A když ho vztáhnete na plochu rovnou průřezu laserového paprsku? nebude to takový zázrak.

Odpovědět


Re: Re: jas Slunce

Josef Hrncirik,2017-06-28 21:42:18

A když to podělíme rozbíhavostí paprsku, bude to i na prémie.
Alespoň řád a jednotku a dobu pulzu si mohli vědcové zjistit.

Odpovědět


Re: Re: jas Slunce

Florian Stanislav,2017-06-28 22:35:53

Nevím, co je pojem záře, tedy ani, že něco září jako miliarda Sluncí.
Vyvětlení pojmu brithnees, luminace a jas je třeba na
http://www.fotoroman.cz/tech2/svetlo15photometry.htm
Luminance povrchu Slunce je 1 650 000 000 cd/m2.
Uvedený laser tedy má luminaci ( to je fyzikálně měřitelná veličina) (1,65E+9)*1E+9 = 1,65E+18 cd/m2.

Odpovědět


Re: Re: Re: jas Slunce

Josef Hrncirik,2017-06-29 08:58:52

Je to jasné. Vědcové neznají ani vlnovou délku a energii v pulzu.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: jas Slunce

Josef Hrncirik,2017-06-29 09:06:39

Netuší jakou mají rozbíhavost a šířku paprsku.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: jas Slunce

Josef Hrncirik,2017-06-29 21:24:00

Ze sol. konstanty a AU plyne výkon cca 4*10**26 W, tj. 3,2*10**25 W/sr a 3,2*10**34 W/sr jasného Diokleciána.
Jak vidno z obr.3 svazek není širší než 2´´ (optická lavice) a při vlně cca 1 um má divergenci nejméně 1/(2*50000).
Ve svazku pak je na metru divergence cca 10 um, tj průřez cca 80 um**2. Svazek 80 um**2 se protíná s povrchem 4*pí*10**12 um**2, tj. svítí do cca 6,4*10**-12 sr a potřebuje výkon nejméně 3,2*10**34*6,4*10**-12 = 2,05*10**23 W.
V jedné jediné vlně 1 um musí tedy být nejméně 2,05*10**23/3*10**14 = 683 MJ = 170 kg TNT.
V článku 10.1038/nphoton.2017.100 však tvrdí, že v laser pulzu bylo jen 6 J.
Lžou tedy minimálně cca 114 M , tj. více než 81 dB.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: jas Slunce

Florian Stanislav,2017-06-30 01:32:11

Povrch Slunce 6,09×10^12 km² =6,09E+18 m2
Zářivý výkon (L☉) = 3,827E+26 W
3,83E+26 Zářivý výkon Slunce W
6,09E+18 Povrch Slunce m2
6,28E+07 W/m2 Výkon Slunce na m2 povrchu
1,00E+09 laser je miliardrát výkonnější na plochu
6,28E+16 W/m2 laser výkon na m2.
1,00E+06
6,28E+10 W/mm2 laser výkon na mm2
Pro uvedenou energii 6J je tedy odpovídají doba pulzu (při výkonu na 1 mm2 a při 6E+10W) asi t =10^-10 s.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: jas Slunce

Josef Hrncirik,2017-06-30 06:42:03

Jo, a když to podělím ploškou z maximální teoretické fokusace cca 1/5 um**2, což jsem v předchozím udělal, vlastně to mohu 5 M utlumit a stačí mi šajnit pouze 2*10**-17 s během 1 s předstírání aktivity a k tomu stačí i elektrony ze splašeného laserového ukazovátka, jak nás nedávno Osel již poučil.
W/m2 v ohnisku laseru již pradávno snadno převyšují 10**9x W/m2 povrchu Slunce a přesto se nám stále nedaří propalovat Kimovy rakety, ani plech přilby na vzdálenost 1 km.
Není ani jasno jaký billion vědcové pro své triky používají.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: jas Slunce

Josef Hrncirik,2017-06-30 09:22:17

Výkon-nevýkon silných laserů byl diskutován i v : Osel 8.IV.2017 12:57 "Superlasery Hvězdných válek jsou již zde"

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni




















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace