Lasers Ultraintensos

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A short presentation about the research at the Laboratory for Intense Lasers.

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  • 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.
  • Lasers Ultraintensos

    1. 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
    2. 2. www.light2015.org Gonçalo Figueira | goncalo.figueira@ist.utl.pt | Nov. 2014
    3. 3. Gonçalo Figueira | goncalo.figueira@ist.utl.pt | Nov. 2014
    4. 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
    5. 5. www.facebook.com/IPFNL Gonçalo Figueira | goncalo.figueira@ist.utl.pt | Nov. 2014 A
    6. 6. Laboratório de Lasers Intensos Gonçalo Figueira | goncalo.figueira@ist.utl.pt | Nov. 2014 Laboratório onde se opera o laser mais potente de Portugal: 15 terawatts xgolp.ist.utl.pt
    7. 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 Gonçalo Figueira | goncalo.figueira@ist.utl.pt | Nov. 2014
    8. 8. Direccional A luz de um laser (quase) não se “expande”, comparada com uma fonte de luz normal Gonçalo Figueira | goncalo.figueira@ist.utl.pt | Nov. 2014
    9. 9. Monocromática A luz de um laser é praticamente monocromática: tem uma única cor bem definida, comparada com uma fonte de luz tradicional Gonçalo Figueira | goncalo.figueira@ist.utl.pt | Nov. 2014
    10. 10. Coerente Existe uma “sincronização” de oscilação no espaço e no tempo (o que tem consequências muito importantes) Gonçalo Figueira | goncalo.figueira@ist.utl.pt | Nov. 2014
    11. 11. Polarizada O campo eléctrico de um feixe laser oscila numa direcção bem definida. Gonçalo Figueira | goncalo.figueira@ist.utl.pt | Nov. 2014
    12. 12. Propriedades da luz laser • direccional • monocromática Gonçalo Figueira | goncalo.figueira@ist.utl.pt | Nov. 2014 • coerente • polarizada
    13. 13. Amplificação estimulada = “clonagem” de fotões Gonçalo Figueira | goncalo.figueira@ist.utl.pt | Nov. 2014 absorção espontânea emissão espontânea emissão estimulada (Albert Einstein, 1917)
    14. 14. Gonçalo Figueira | goncalo.figueira@ist.utl.pt | Nov. 2014
    15. 15. O primeiro laser foi demonstrado em 16 de Maio de 1960 Gonçalo Figueira | goncalo.figueira@ist.utl.pt | Nov. 2014 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. 16. Laser: os primeiros 50 anos Gonçalo Figueira | goncalo.figueira@ist.utl.pt | Nov. 2014
    17. 17. Lasers no séc. XXI Gonçalo Figueira | goncalo.figueira@ist.utl.pt | Nov. 2014 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. 18. O que é que faz os lasers tão especiais? Gonçalo Figueira | goncalo.figueira@ist.utl.pt | Nov. 2014 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. 19. 11 Prémios Nobel relacionados com o laser Gonçalo Figueira | goncalo.figueira@ist.utl.pt | Nov. 2014 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. 20. Prémio Nobel da Física 2012 Gonçalo Figueira | goncalo.figueira@ist.utl.pt | Nov. 2014 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. 21. Experiências à velocidade da luz 230 fs Gonçalo Figueira | goncalo.figueira@ist.utl.pt | Nov. 2014 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
    22. 22. Gonçalo Figueira | goncalo.figueira@ist.utl.pt | Nov. 2014 miliwatt Watt kilowatt megawatt gigawatt terawatt petawatt 10-3 100 103 106 109 1012 1015 potência = energia / duração
    23. 23. Lasers intensos: a matéria em estados extremos Gonçalo Figueira | goncalo.figueira@ist.utl.pt | Nov. 2014 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. 24. Mais quente que o núcleo do sol Gonçalo Figueira | goncalo.figueira@ist.utl.pt | Nov. 2014 •No foco do laser NIF temos: densidade ~1 kg/cm3 temperatura ~109 K energia ~ 100 kJ/cm3 pressão ~ 1 Gbar •= “astrofísica no laboratório”
    25. 25. Fusão nuclear usando lasers Público, 12-Fev-2014 Gonçalo Figueira | goncalo.figueira@ist.utl.pt | Nov. 2014
    26. 26. Fusão nuclear usando lasers Gonçalo Figueira | goncalo.figueira@ist.utl.pt | Nov. 2014 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
    27. 27. Aceleração de partículas a laser Gonçalo Figueira | goncalo.figueira@ist.utl.pt | Nov. 2014
    28. 28. Laboratório de Lasers Intensos Gonçalo Figueira | goncalo.figueira@ist.utl.pt | Nov. 2014 do IST Sala limpa de 100 m2 Contém sistema laser de 15 TW e área de interacção preparada para experiências laser-plasma
    29. 29. O laser mais potente do país Gonçalo Figueira | goncalo.figueira@ist.utl.pt | Nov. 2014 Sistema laser principal: 6 J / 400 fs / 15 TW Outros lasers: bombeados a díodo, impulsos ultra-curtos Diagnósticos de impulsos ultra-curtos
    30. 30. Principais áreas de investigação Gonçalo Figueira | goncalo.figueira@ist.utl.pt | Nov. 2014 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. 31. Acesso a laboratórios estrangeiros LCLS, EUA Gonçalo Figueira | goncalo.figueira@ist.utl.pt | Nov. 2014 LOA, França www.laserlab-europe.net Astra-Gemini, UK
    32. 32. Para saber mais Web: ipfn.ist.utl.pt Facebook: IPFNLA Flickr: IPFN mail: goncalo.figueira@ist.utl.pt Gonçalo Figueira | goncalo.figueira@ist.utl.pt | Nov. 2014

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