Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 7 – vyšlo 11. února, ročník 20 (2022)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Světelná magie

Petr Kulhánek

Světlo je nejpřirozenějším komunikačním prostředkem pro člověka. Je to důsledkem faktu, že SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium. má maximum vyzařování ve světelném oboru a živočichové i rostliny žijící na ZemiZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. se v průběhu evoluce této skutečnosti přizpůsobili. Není proto divu, že řada lidských technologií využívá světelné impulzy, mnohdy velmi krátké, ale s velkým dopadajícím výkonem. Obdobné impulzy jsou důležité i ve vědeckém bádání. Jejich příprava bývá ale velmi nákladná, a tak si například femtosekundový koherentní zdroj světelných pulzů s vysokým výkonem mohou dovolit jen špičková pracoviště. Vědci z kanadského Národního institutu pro vědecký výzkum (INRSINRS – Institut National de la Recherche Scientifique, kanadský Národní institut pro vědecký výzkum. Institut byl založen v roce 1969 jako součást Quebecké univerzity. Je zaměřen na vývoj technologií nové generace. V současnosti probíhá výzkum v těchto oblastech: životní prostředí, energie, materiály a telekomunikace, zdraví lidí a zvířat, urbanizace, kultura a společnost.) přišli se zajímavým a především levným řešením. Pulzy z komerčně dostupného infračerveného laseru převedli za pomoci dutého optického vlákna na koherentní pulzy v optickém oboru. Nejde sice o metodu převratně novou, ale vše nasvědčuje tomu, že by mohla být masivně nasazena v řadě laboratoří, a to s relativně nízkými finančními nároky.

Světelné impulzy jsou základem mnoha lidských technologií.
Zdroj: INRS/Razzari.

INRS – Institut National de la Recherche Scientifique, kanadský Národní institut pro vědecký výzkum. Institut byl založen v roce 1969 jako součást Quebecké univerzity. Je zaměřen na vývoj technologií nové generace. V současnosti probíhá výzkum v těchto oblastech: životní prostředí, energie, materiály a telekomunikace, zdraví lidí a zvířat, urbanizace, kultura a společnost.

Kerrův optický jev – při průchodu světla vhodným prostředím dochází ke změně indexu lomu látky úměrné intenzitě procházejícího světla. Důsledkem jsou nelineární jevy, například samofokusace svazku nebo nestability svazku. Jev poprvé popsal skotský fyzik John Kerr v roce 1875.

Plazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magnetická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektrického obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství.

LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu.

Princip metody

V roce 1996 ukázala skupina italských vědců z Milánské polytechniky, že je možné v dutém optickém vlákně naplněném vzácnými plyny změnit délku pulzu elektromagnetického záření. Skupině, kterou vedl profesor Mauro Nisoli se konkrétně podařilo stlačit pulz o délce 140 femtosekund na jiný pulz s dobou trvání 10 fs, tedy více než desetinásobně. Přitom samozřejmě také dojde ke zkrácení vlnové délky elektromagnetického záření. Fyzikální pozadí stlačení elektromagnetického pulzu není zcela jasné. Jde totiž o silně nelineární interakci původního impulzu jednak se stěnami vlákna a jednak s plynným prostředím v dutém vlákně. Ke změně tvaru pulzu přispívají zejména dva okruhy jevů. První souvisí s Kerrovým optickým jevemKerrův optický jev – při průchodu světla vhodným prostředím dochází ke změně indexu lomu látky úměrné intenzitě procházejícího světla. Důsledkem jsou nelineární jevy, například samofokusace svazku nebo nestability svazku. Jev poprvé popsal skotský fyzik John Kerr v roce 1875., při němž dochází při průchodu elektromagnetického pulzu ke změně indexu lomuIndex lomu – absolutní index lomu je v homogenním izotropním prostředí bez disperze definován jako podíl rychlosti světla a fázové rychlosti. Obecně je index lomu komplexní veličina závislá na frekvenci, v případě anizotropního prostředí tenzorová. Frekvenční závislost reálné části popisuje disperzi v daném prostředí. Imaginární část indexu lomu popisuje (v závislosti na znaménku) absorpci nebo zesílení světla. Relativní index lomu je dán poměrem indexů lomu prostředí, do kterého záření vstupuje vůči indexu lomu prostředí, z něhož záření vychází. Na rozhraní dvou prostředí je relativní index lomu roven podílu sinu úhlu dopadu a sinu úhlu lomu (Snellův zákon). Uvozující přídavné jméno (absolutní nebo relativní) se často vypouští, takže zda se jedná o absolutní či relativní index lomu poznáme pouze z kontextu., která je úměrná elektrickému poli. To vede ke kladné zpětné vazbě a vzniku nelineárních jevů při šíření pulzu. Druhý okruh jevů souvisí s fyzikou plazmatuPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magnetická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektrického obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství.. Při průchodu pulzu je plynné prostředí (zpravidla argonArgon – prvek patřící mezi vzácné plyny, které tvoří necelé 1 % zemské atmosféry. Jde o nereaktivní bezbarvý plyn bez chuti a zápachu. Objev argonu je oficiálně připisován lordu Rayleighovi a Williamu Ramsayovi, kteří ho detekovali roku 1894. Jako inertní atmosféra se využívá v metalurgii, při balení potravin, v plazmových technologiích i ve výbojkách.) ionizováno a vzniklé plazma je zdrojem celé řady nestabilit podepisujících se na šíření pulzu. Vlivem obou skupin nelineárních jevů se v dutém vlákně formuje impulz, který má kratší dobu trvání, kratší vlnovou délku (může jít i o optický impulz a vyšší deponovaný výkon po dopadu.

Na konci 20. století se tento princip začal hojně využívat ke změně vlnové délky elektromagnetického impulzu. V Kanadě dokonce vznikla společnost Few Cycle, která má technologii komprese elektromagnetických pulzů v dutých vláknech patentovánu a orientuje se na prodej vláken pro nejrůznější zařízení generující elektromagnetické impulzy. V kanadském Národním institutu pro vědecký výzkumINRS – Institut National de la Recherche Scientifique, kanadský Národní institut pro vědecký výzkum. Institut byl založen v roce 1969 jako součást Quebecké univerzity. Je zaměřen na vývoj technologií nové generace. V současnosti probíhá výzkum v těchto oblastech: životní prostředí, energie, materiály a telekomunikace, zdraví lidí a zvířat, urbanizace, kultura a společnost. se podařilo s těmito vlákny v loňském roce převést infračervený impulz komerčního laseru na optický impulz.

Princip komprese infračerveného pulzu na optický pulz. Zdroj: INRS.

Experimenty v kanadském INRS

Skupinu vědců, která se kompresí elektromagnetických pulzů v kanadském INRSINRS – Institut National de la Recherche Scientifique, kanadský Národní institut pro vědecký výzkum. Institut byl založen v roce 1969 jako součást Quebecké univerzity. Je zaměřen na vývoj technologií nové generace. V současnosti probíhá výzkum v těchto oblastech: životní prostředí, energie, materiály a telekomunikace, zdraví lidí a zvířat, urbanizace, kultura a společnost. zabývá již mnoho let, vede profesor Luca Razari, vedoucí Laboratoře pro infračervené a terahertzové záření. Dalším členem týmu, jehož hlavní náplní je komprese pulzů, je postdoktorský student Riccardo Piccoli. Na práci se podíleli vědci z Kanady, USA, Francie, Velké Británie, Izraele a Číny. Nejde ale o početný tým, jak by se z výčtu zemí mohlo zdát, ale o relativně malou skupinu dvanácti vědců. Při svém výzkumu použili jako zdroj pulzů běžný komerční argonArgon – prvek patřící mezi vzácné plyny, které tvoří necelé 1 % zemské atmosféry. Jde o nereaktivní bezbarvý plyn bez chuti a zápachu. Objev argonu je oficiálně připisován lordu Rayleighovi a Williamu Ramsayovi, kteří ho detekovali roku 1894. Jako inertní atmosféra se využívá v metalurgii, při balení potravin, v plazmových technologiích i ve výbojkách. pulzní laserLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. pracující na vlnové délce 1035 nm, tedy v infračerveném oboru. Takové lasery jsou dostupné v mnoha laboratořích. Duté optické vlákno dodala společnost Few Cycle. Vlákno naplnili inertním argonemArgon – prvek patřící mezi vzácné plyny, které tvoří necelé 1 % zemské atmosféry. Jde o nereaktivní bezbarvý plyn bez chuti a zápachu. Objev argonu je oficiálně připisován lordu Rayleighovi a Williamu Ramsayovi, kteří ho detekovali roku 1894. Jako inertní atmosféra se využívá v metalurgii, při balení potravin, v plazmových technologiích i ve výbojkách.. Původní elektromagnetické pulzy měly délku trvání 175 femtosekundFemtosekunda – jednotka času, 10⁻¹⁵ s. a energii 1 milijoule. Skupině se podařilo po dvou cyklech pulzy zkomprimovat čtyřicetinásobně. Výsledkem byl optický pulz s délkou trvání 4,6 femtosekund a energií 20 mikrojoulů. Pouhým vydělením těchto čísel dostaneme špičkový výkon laseru 4 gigawatty. Optický impulz není po průchodu dutým vláknem monochromatický. Rozkladem světla na optickém hranolu bylo určeno spektrum pulzu, které má centrální vlnovou délku 600 nm, tedy v optickém oboru.

Formování optického pulzu v dutém vlákně plněném argonem. Zdroj: INRS.

Experimentální spektra pořízená při experimentu za tlaku 2,9 baru. Barvami je odlišena různá energie pulzů (modrá 0,19 mJ, červená 0,94 mJ). Zdroj: INRS.

A k čemu je to vše dobré? Klasická otázka, na níž zpravidla nebývá jednoduchá odpověď. Výzkum prováděný v INRSINRS – Institut National de la Recherche Scientifique, kanadský Národní institut pro vědecký výzkum. Institut byl založen v roce 1969 jako součást Quebecké univerzity. Je zaměřen na vývoj technologií nové generace. V současnosti probíhá výzkum v těchto oblastech: životní prostředí, energie, materiály a telekomunikace, zdraví lidí a zvířat, urbanizace, kultura a společnost. je ale výjimkou. Levný zdroj koherentních femtosekundovýchFemtosekunda – jednotka času, 10⁻¹⁵ s. optických pulzů s vysokým výkonem má před sebou skvělou budoucnost. Takové pulzy se hodí fyzikům při přípravě extravagantních stavů látky, chemikům při studiu vzácných chemických reakcí, botanikům při hledání tajemství fotosyntézyFotosyntéza – biochemický pochod, při kterém dochází k přeměně světelného záření na energii chemických vazeb. Při fotosyntéze se takto zpracovává oxid uhličitý a voda na kyslík a cukr. nebo lékařům při výzkumu podstaty vidění, zejména izomerizaciIzomerizace – chemická reakce, při níž se molekula, ion nebo část molekuly přemění na izomer s jinou strukturou. rodopsinu. To je ale jen základní výzkum. Optické pulzy se mohou stát součástí mnoha nových technologií, které zatím nevznikly, protože dosavadní příprava optických pulzů byla finančně velmi náročná. Doufejme, že výzkum v kanadském Národním institutu pro vědecký výzkum přinese v krátké době „světlo“ jak do laboratoří, tak do společností vyvíjejících nové optoelektronické technologie.

Odkazy