Sila alebo energia
„V laboratóriu teplú hmotu krátko vytvárajú lasery s extrémnymi maximálnymi výkonmi alebo energetickými hustotami.“ tak sa skončil môj posledný príspevok o teplej, hutnej hmote. Budeme teda používať vysokovýkonné lasery a vysokoenergetické lasery. Aký je však presne ten rozdiel a prečo nie sme spokojní s jedným alebo s kompromisom oboch.
Najskôr by som chcel pripomenúť vzťah medzi silou a energiou. Energia je schopnosť robiť prácu. Energia je konzervačné množstvo. Pomocou nej sa dá hmota zahriať a uviesť do pohybu alebo sa môžu náboje oddeliť od elektrických síl. Sila je energia za čas. Špičkový výkon procesu naznačuje, koľko energie v extrémnom prípade prúdi. Výkon je zmena energie.
Vysokoenergetický laser
Vysokoenergetický laser prenáša maximálnu energiu v jednom impulze. Impulz nesmie byť ľubovoľne dlhý, pretože energia má lokálne ohrievať hmotu. Energia by sa mala ukladať rýchlejšie, ako sa teplo distribuuje v materiáli.
Vysokoenergetický laser, ktorý použijeme v experimentálnej hale, aplikuje okolo 100 joulov v impulzoch od dvoch do dvadsiatich nanosekúnd. To spočiatku neznie tak veľa.
100 joulov je 24 kalórií, čo je energia potrebná na zohriatie 1 gramu vody o 24 stupňov. Jeden gram vody je jeden kubický centimeter. Ale taký laser nie je zameraný na štvorcový centimeter, ale na zlomky milimetra. S ohniskovým bodom 0,1 x 0,1 milimetra, rádovo ľahko dosiahnuteľným, máme do činenia s desaťtisícinom štvorcového palca. Ak je hĺbka prieniku menšia ako jeden milimeter, zahrejeme sa o státisíce stupňov.
Nanosekundy sú miliardtiny sekundy. To je časové rozpätie, v ktorom sa atómy plynu pohybujú v milimetrovom rozmedzí. Výbuch sa nedostane ďaleko za nanosekundu. Niekoľko nanosekúnd je preto presne ten pravý čas na to, aby ste skutočne zahriali submilimetrovú malú hrudku hmoty.
Vysokoenergetické lasery sú založené na sklenených alebo krištáľových diskoch, ktoré sú dotované (dotované) ytterbiom vzácnych zemín1. Svetelný impulz sa najskôr generuje v laserovom rezonátore a extrahuje sa vyprázdnením dutiny. Ytterbiové ióny v kryštálových diskoch sú excitované v pravý čas a laserový pulz je koherentne zosilnený. Tabule sa zahrejú na hranicu svojej nosnosti. Rýchlosť, akou dokáže takýto laser vystreliť, je v podstate obmedzená časom, ktorý trvá opätovné vychladnutie diskov. Mierime najmenej na jeden impulz za sekundu, lepšie na desať. Desať impulzov za sekundu je rýchlosť, ktorou je taktovaný náš röntgenový laser na báze akcelerátora.
Vysoko intenzívny laser
Vysokým výkonom alebo vysokou intenzitou laserov je možné dosiahnuť tým, že sa impulzy podstatne skrátia. Výkon je koniec koncov energia. Okolo 30 femtosekúnd sú také laserové impulzy miliónkrát kratšie ako pulzy z vysokoenergetických laserov. Ale obsahujú iba dvadsaťpätinu energie: 4 jouly.
Ako som už raz ukázal, vlnová dĺžka optických laserov je oveľa väčšia ako veľkosť atómov. Svetlo funguje hlavne ako vibračné elektrické pole. Elektróny v poli vibrujú ako čln na vode. Vo väčšine prípadov je elektrické pole svetelného zdroja iba malou odchýlkou v celkovom elektrickom poli. Interakcie sú väčšinou rezonancie. U laserov s vysokou intenzitou je to iné: tu je elektrické pole dostatočné na to, aby roztrhlo elektróny priamo z atómov.
Hlavným účinkom takéhoto laseru nie je zahriatie hmoty, ale priama interakcia s elektrónmi. Elektróny môžu byť také rýchle, že generujú krátke röntgenové záblesky, keď sa vrátia k atómu alebo dokonca vyrazia protóny z jadra.
Parameter vysokej intenzity je výkon na plochu: wattov na centimeter štvorcový (W/cm²). 4joulový 30 femtosekundový laser dokáže zameraný na niekoľko mikrometrov a dosahuje hustotu povrchového výkonu nad 10 20 W/cm². Ionizačný prah, t. J. Hustota výkonu potrebná na len uvoľnenie elektrónov z materiálu, je 10 12 W/cm2 pre kovy a 10 13 W/cm2 pre nevodiče.
Na generovanie vysokej intenzity a krátkych impulzov je potrebný laser s blokovaním režimu vo veľkom rozsahu vlnových dĺžok. Používajú sa tu zafírové kryštály dotované titánom. Titánové zafírové lasery generujú svetlo na vlnovej dĺžke 800 nanometrov, t. J. V infračervenom spektrálnom rozsahu, s veľkou šírkou pásma medzi 670 a 1070 nanometrami. Vďaka tomu sú tieto lasery laditeľné v širokom rozsahu vlnových dĺžok alebo môžu byť generované obzvlášť krátke impulzy. Veľká šírka pásma má tiež výhodu v tom, že laserové impulzy je možné natiahnuť a stlačiť v priebehu času pomocou difrakčných mriežok. Pomerne dlhý impulz je možné zosilniť, aby sa znížila maximálna hustota výkonu v kryštáli a zabránilo sa tak poškodeniu kryštálu. Zosilnený impulz sa potom opäť komprimuje na niekoľko femtosekúnd, aby sa dosiahol maximálny špičkový výkon.
Čo je lepšie, nanosekundový laser so 100 joulami alebo femtosekundový laser so 4 joumi závisí od experimentu. Otázka, na ktorú si treba zodpovedať. Ak sú obidve dostupné, môžeme študovať hmotu s vysokou energiou alebo pod vplyvom vysokých polí.