O documento descreve as atividades do Laboratório de Lasers Intensos do Instituto Superior Técnico, incluindo: 1) O laboratório opera o laser mais potente de Portugal com 15 terawatts; 2) Realiza investigação em áreas como aceleração de partículas e geração de harmónicos de alta ordem; 3) Fornece acesso a laboratórios internacionais líderes como o LCLS nos EUA.
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Lasers Ultraintensos
1. Lasers ultra-intensos
Gonçalo Figueira
Gonçalo Figueira | goncalo.figueira@ist.utl.pt | Nov. 2014
Instituto de Plasmas e
Fusão Nuclear
Instituto Superior Técnico
INSTITUTO DE PLASMAS
E FUSÃO NUCLEAR
4. Instituto de Plasmas e
Fusão Nuclear
Gonçalo Figueira | goncalo.figueira@ist.utl.pt | Nov. 2014
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
6. Laboratório de Lasers Intensos
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Laboratório onde se opera
o laser mais potente de
Portugal:
15 terawatts
xgolp.ist.utl.pt
7. 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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8. Direccional
A luz de um laser (quase) não se “expande”,
comparada com uma fonte de luz normal
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9. 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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10. Coerente
Existe uma “sincronização” de oscilação no espaço e
no tempo (o que tem consequências muito importantes)
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11. Polarizada
O campo eléctrico de um feixe laser oscila numa
direcção bem definida.
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15. O primeiro laser foi demonstrado
em 16 de Maio de 1960
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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.
16. Laser: os primeiros
50 anos
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17. Lasers no séc. XXI
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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!)
18. O que é que faz os lasers tão
especiais?
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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
19. 11 Prémios Nobel relacionados
com o laser
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1964
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
20. Prémio Nobel da Física 2012
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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”.
21. Experiências à velocidade da luz
230 fs
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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
23. Lasers intensos:
a matéria em estados extremos
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Intensidade = Potência / Área
1 Petawatt focado numa área de
1×1 μm2: 1023 W/cm2
(Equivalente a concentrar toda a potência
do sol na área de um chapéu de praia)
Nestas condições, a natureza entra em
regimes extremos de comportamento,
que só se conseguem reproduzir em
laboratório com este tipo de lasers.
24. Mais quente que o núcleo do sol
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•No foco do laser NIF temos:
densidade ~1 kg/cm3
temperatura ~109 K
energia ~ 100 kJ/cm3
pressão ~ 1 Gbar
•= “astrofísica no laboratório”
28. Laboratório de Lasers Intensos
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do IST
Sala limpa de 100 m2
Contém sistema laser de
15 TW e área de
interacção preparada para
experiências laser-plasma
29. O laser mais potente do país
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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
30. Principais áreas de investigação
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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
31. Acesso a laboratórios estrangeiros
LCLS, EUA
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LOA, França
www.laserlab-europe.net
Astra-Gemini, UK
32. Para saber mais
Web: ipfn.ist.utl.pt Facebook: IPFNLA
Flickr: IPFN mail: goncalo.figueira@ist.utl.pt
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Editor's Notes
A ONU declarou 2015…
Dave Wineland: Átomos ou iões são aprisionados rodeando-os de campos eléctricos
Experiência em vácuo, a muito baixas temperaturas
O laser é usado para travar o movimento térmico dos iões, colocando-os no estado de energia mais baixo possível
In David Wineland’s laboratory in Boulder, Colorado, electrically charged atoms or ions are kept inside a trap by surrounding them with electric fields. The particles are isolated from the heat and radiation in their environment by performing the experiments in vacuum at extremely low temperatures.
One of the secrets behind Wineland’s breakthrough is the mastery of the art of using laser beams and creating laser pulses. A laser is used to suppress the ion’s thermal motion in the trap, putting the ion in its lowest energy state and thus enabling the study of quantum phenomena with the trapped ion. A carefully tuned laser pulse can be used to put the ion in a superposition state, which is a simultaneous existence of two distinctly different states. For example, the ion can be prepared to occupy two different energy levels simultaneously. It starts in a lowest energy level and the laser pulse only nudges the ion halfway towards a higher energy level so that it is left in between the two levels, in a superposition of energy states, with an equal probability of ending up in either of them. In this way a quantum superposition of the ion’s energy states can be studied.