Lasers Ultraintensos

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

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 de Lasers Intensos
Laboratório onde se opera
o laser mais potente de
Portugal:
15 terawatts
xgolp.ist.utl.pt

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 laser
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

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”.

Experiências à velocidade da luz
230 fs
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 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.

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

O laser mais potente do país
Sistema laser principal:
6 J / 400 fs / 15 TW
Outros lasers: bombeados a
díodo, impulsos ultra-curtos
Diagnósticos de impulsos ultra-curtos

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
LCLS, EUA
LOA, França
www.laserlab-europe.net
Astra-Gemini, UK

Para saber mais
Web: ipfn.ist.utl.pt Facebook: IPFNLA
Flickr: IPFN mail: goncalo.figueira@ist.utl.pt

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