Lasers Ultraintensos

Gonçalo Figueira | [email protected] | Nov. 2014

Lasers ultra-intensosGonçalo Figueira

Instituto de Plasmas e

Fusão Nuclear

Instituto Superior TécnicoINSTITUTO DE PLASMAS E FUSÃO NUCLEAR


www.light2015.org



Instituto de Plasmas e

Fusão Nuclear Unidade de investigação do

Instituto Superior Técnico

Laboratório Associado da FCT nas áreas

temáticas de

• Fusão Nuclear Controlada

• Tecnologias de Plasmas e Lasers

Intensos

Instalado no campus do IST Alameda,

com presença noutras universidades

(UC, UP, UAlg…)

175 colaboradores / ~80 doutorados


www.facebook.com/IPFNL

A


Laboratório onde se opera o laser mais potente de Portugal: 15 terawatts

xgolp.ist.utl.pt

Laboratório de Lasers Intensos


LASER é um tipo de luz com um

conjunto único de propriedades

É um aparelho que emite luz criada pelo processo de amplificação óptica baseada em emissão estimulada


Direccional

A luz de um laser (quase) não se “expande”,

comparada com uma fonte de luz normal


Monocromática

A luz de um laser é praticamente monocromática: tem

uma única cor bem definida, comparada com uma

fonte de luz tradicional


Coerente

Existe uma “sincronização” de oscilação no espaço e

no tempo (o que tem consequências muito importantes)


Polarizada

O campo eléctrico de um feixe laser oscila numa

direcção bem definida.


Propriedades da luz laser

• direccional

• monocromática

• coerente

• polarizada


Amplificação estimulada =

“clonagem” de fotões

absorção

espontânea

emissão

espontânea

emissão

estimulada

(Albert Einstein, 1917)



O primeiro laser foi demonstrado

em 16 de Maio de 1960

Theodore Maiman

Hughes Research Labs (USA)

Não há espelhos - o próprio

cristal de rubi está talhado de

forma a criar uma cavidade

óptica ressonante, com as

faces revestidas de um filme

de prata.


Laser: os primeiros

50 anos


Lasers no séc. XXI

Internet

DVD e blu-ray

LASIK (~20 M ops.)

Oncologia

Fotolitografia laser

Pinças ópticas

Estrelas artificiais

Impressoras 3D

FACTO: Desde 1960 houve

>50 mil patentes com a

palavra laser (~3 por dia!)


O que é que faz os lasers tão

especiais?ABRANGÊNCIA

• Cobrem o espectro

electromagnético na zona do

visível (e também muito do

infravermelho e ultravioleta)

VERSATILIDADE

• Possuem uma grande gama de

energias, durações

(contínuo/pulsado) e potências

CARACTERÍSTICAS

• São diferentes de qualquer outro

tipo de luz, natural ou artificial


11 Prémios Nobel relacionados

com o laser1964

1971

1981

1989

1997

1999

2001

2005

2006

2009

Trabalhos fundamentais em electrónica quântica e teoria laser

Holografia

Espectroscopia laser e efeitos ópticos não-lineares

Métodos de ressonância e maser de hidrogénio

Desenvolvimento do arrefecimento laser

Espectroscopia de femtosegundos para observar átomos durante reacções

Arrefecimento laser para criação de condensados de Bose-Einstein

Espectroscopia de precisão usando lasers, técnica do pente de frequências ópticas

Medição da radiação cósmica de fundio usando masers no satélite COBE

Desenvolvimento de fibras ópticas para telecomunicações


Prémio Nobel da Física 2012

Serge Haroche

David J. Wineland

www.nobel.se

Os investigadores "inventaram e

desenvolveram métodos para medir e

manipular partículas individuais,

preservando a sua natureza quântica,

de um modo que se julgava

inalcançável”.


230 fs

Experiências à velocidade da luz

A luz viaja a uma velocidade de 3×108 m/s

Terra - Lua : 1,25 s

Um cabelo humano tem uma espessura de

70 microns : 230 fs (femtosegundos)

(~ duração dos impulsos laser do L2I)

1 fs = 10-15 s

1.25 s


miliwatt

Watt

kilowatt

megawatt

gigawatt

terawatt

petawatt

10-3

100

103

106

109

1012

1015

potência =

energia / duração


Lasers intensos:

a matéria em estados extremos

Intensidade = Potência / Área

1 Petawatt focado numa área de 1×1 µm2: 1023 W/cm2

(Equivalente a concentrar toda a potênciado sol na área de um chapéu de praia)

Nestas condições, a natureza entra emregimes extremos de comportamento, que só se conseguem reproduzir emlaboratório com este tipo de lasers.


Mais quente que o núcleo do sol

•No foco do laser NIF temos:

densidade ~1 kg/cm3

temperatura ~109 K

energia ~ 100 kJ/cm3

pressão ~ 1 Gbar

•= “astrofísica no laboratório”


Fusão nuclear usando lasers

Público, 12-Fev-2014


Fusão nuclear usando lasers

Irradiação directa

Os feixes lasers iluminam uma

pequena cápsula preenchida com

deutério e trítio congelados

Irradiação indirecta

A cápsula é colocada no interior

de um cilindro de ouro e

iluminada com raios-x

© LLNL © LLNL


Aceleração de partículas a laser


Laboratório de Lasers Intensos

do IST

Sala limpa de 100 m2

Contém sistema laser de

15 TW e área de

interacção preparada para

experiências laser-plasma


Sistema laser principal:

6 J / 400 fs / 15 TW

Outros lasers: bombeados a

díodo, impulsos ultra-curtos

Diagnósticos de impulsos ultra-

curtos

O laser mais potente do país


Principais áreas de investigação

Área de interacção com câmara

de vácuo, diagnósticos ópticos,

IR, VUV, raios-x, electrões

Aceleração de partículas a plasma

Geração de harmónicos de ordem

elevada

Experiências noutros laboratórios:

Astra Gemini, LOA,

LULI, LCLS


Acesso a laboratórios estrangeiros

www.laserlab-europe.net

LOA, França

Astra-Gemini, UK

LCLS, EUA


Para saber mais

Web: ipfn.ist.utl.pt Facebook: IPFNLA

Flickr: IPFN mail: [email protected]

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