Сила чи енергія
"У лабораторії на короткий час тепла речовина утворюється лазерами з надзвичайними максимальними потужностями або щільністю енергії". так закінчився мій останній пост про теплу, щільну матерію. Отже, ми будемо використовувати потужні лазери та високоенергетичні лазери. Але в чому саме різниця і чому нас не влаштовує одне або компроміс обох.
Перш за все, я хотів би нагадати вам про співвідношення сили та енергії. Енергія - це здатність виконувати роботу. Енергія є величиною збереження. За допомогою нього речовина може нагріватися і приводитися в рух, або заряди можуть відокремлюватися від електричних сил. Потужність - це енергія за раз. Пікова ефективність процесу вказує на те, скільки енергії тече в крайньому випадку. Потужність - це зміна енергії.
Лазер високої енергії
Високоенергетичний лазер передає максимум енергії за один імпульс. Імпульс не повинен бути довільно тривалим, оскільки енергія повинна нагрівати речовину локально. Енергія повинна осідати швидше, ніж тепло розподіляється в матеріалі.
Високоенергетичний лазер, який буде використовуватися в нашому експериментальному залі, подаватиме близько 100 джоулів в імпульсах від двох до двадцяти наносекунд. Спочатку це звучить не так вже й багато.
100 джоулів - це 24 калорії, це приблизно енергія, необхідна для нагрівання 1 грама води на 24 градуси. Один грам води - це один кубічний сантиметр. Але такий лазер фокусується не на квадратному сантиметрі, а на частках міліметра. З фокусною точкою 0,1 на 0,1 міліметра, порядку, якого можна легко досягти, ми маємо справу з десятитисячною квадратного дюйма. Якщо глибина проникнення менше одного міліметра, ми нагріваємося на сотні тисяч градусів.
Наносекунди - це мільярдні частки секунди. Це проміжок часу, протягом якого атоми газу рухаються в міліметровому діапазоні. Вибух не заходить далеко за наносекунду. Тому кілька наносекунд - це саме той час, щоб реально нагріти субміліметрову грудку речовини.
Високоенергетичні лазери засновані на скляних або кристалічних дисках, які леговані (леговані) рідкоземельним іттербієм1. Світловий імпульс спочатку генерується в лазерному резонаторі і витягується шляхом скидання порожнини. Іони ітербію в кристалічних дисках збуджуються вчасно, і лазерний імпульс когерентно посилюється. Панелі нагріваються до межі своєї несучої здатності. Швидкість, з якою такий лазер може спрацьовувати, по суті обмежена часом, необхідним для повторного охолодження дисків. Ми націлені як мінімум на один імпульс в секунду, краще на десять. Десять імпульсів в секунду - це швидкість, з якою працює наш рентгенівський лазер на основі прискорювача.
Лазер високої інтенсивності
Лазерів високої потужності або високої інтенсивності можна досягти, якщо зробити імпульси набагато коротшими. Зрештою, сила - це енергія в часі. Приблизно в 30 фемтосекунд такі лазерні імпульси в мільйон разів коротші, ніж у високоенергетичних лазерів. Але вони містять лише двадцять п’яту енергію: 4 джоулі.
Як я колись показав, довжина хвилі оптичних лазерів набагато більша за розмір атомів. Світло діє головним чином як вібруюче електричне поле. Електрони в полі вібрують, як човен на воді. У більшості випадків електричне поле джерела світла є лише незначною зміною загального електричного поля. Взаємодії - це переважно резонанси. Інакше це стосується високоінтенсивних лазерів: тут електричного поля достатньо, щоб відірвати електрони безпосередньо від атомів.
Основним ефектом такого лазера є не нагрівання речовини, а безпосередня взаємодія з електронами. Електрони можуть стати настільки швидкими, що генерують короткі спалахи рентгенівських променів, коли повертаються до атома або навіть вибивають протони з ядра.
Параметром високої інтенсивності є потужність на площу: Вт на квадратний сантиметр (Вт/см²). 4-джоулевий 30-фемтосекундний лазер, сфокусований на декількох мікрометрах, забезпечує поверхневу щільність потужності понад 10 20 Вт/см². Поріг іонізації, тобто щільність потужності, необхідна для простого вивільнення електронів з матеріалу, становить 10 12 Вт/см2 для металів і 10 13 Вт/см² для непровідників.
Для генерації високої інтенсивності та коротких імпульсів потрібен лазер з блокуванням режиму у великому діапазоні довжин хвиль. Тут використовуються леговані титаном кристали сапфіру. Титано-сапфірові лазери генерують світло на довжині хвилі 800 нанометрів, тобто в інфрачервоному спектральному діапазоні, з великою смугою пропускання від 670 до 1070 нанометрів. Це робить ці лазери регульованими в широкому діапазоні довжин хвиль, або можуть створюватися особливо короткі імпульси. Велика смуга пропускання також має ту перевагу, що лазерні імпульси можуть розтягуватися і стискатися з часом за допомогою дифракційних решіток. Порівняно довгий імпульс може бути посилений, щоб зменшити максимальну щільність потужності в кристалі і, таким чином, уникнути пошкодження в кристалі. Потім посилений імпульс знову стискається до декількох фемтосекунд, щоб досягти максимальної пікової потужності.
Що краще, наносекундний лазер на 100 джоулів або фемтосекундний лазер на 4 джоуля, залежить від експерименту. Питання, на яке потрібно відповісти. Якщо обидва доступні, ми можемо вивчати речовину з високими енергіями або під впливом високих полів.