Lasers Ultraintensos
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Gonçalo Figueira | [email protected] | Nov. 2014
Lasers ultra-intensosGonçalo Figueira
Instituto de Plasmas e
Fusão Nuclear
Instituto Superior TécnicoINSTITUTO DE PLASMAS E FUSÃO NUCLEAR
Gonçalo Figueira | [email protected] | Nov. 2014
www.light2015.org
Gonçalo Figueira | [email protected] | Nov. 2014
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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
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Laboratório onde se opera o laser mais potente de Portugal: 15 terawatts
xgolp.ist.utl.pt
Laboratório de Lasers Intensos
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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
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Direccional
A luz de um laser (quase) não se “expande”,
comparada com uma fonte de luz normal
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Monocromática
A luz de um laser é praticamente monocromática: tem
uma única cor bem definida, comparada com uma
fonte de luz tradicional
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Coerente
Existe uma “sincronização” de oscilação no espaço e
no tempo (o que tem consequências muito importantes)
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Polarizada
O campo eléctrico de um feixe laser oscila numa
direcção bem definida.
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Propriedades da luz laser
• direccional
• monocromática
• coerente
• polarizada
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Amplificação estimulada =
“clonagem” de fotões
absorção
espontânea
emissão
espontânea
emissão
estimulada
(Albert Einstein, 1917)
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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.
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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!)
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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
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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
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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”.
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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
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miliwatt
Watt
kilowatt
megawatt
gigawatt
terawatt
petawatt
10-3
100
103
106
109
1012
1015
potência =
energia / duração
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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.
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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”
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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
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Aceleração de partículas a laser
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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
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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
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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
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Acesso a laboratórios estrangeiros
www.laserlab-europe.net
LOA, França
Astra-Gemini, UK
LCLS, EUA
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Para saber mais
Web: ipfn.ist.utl.pt Facebook: IPFNLA
Flickr: IPFN mail: [email protected]