Puterea sau energia
"În laborator, materia caldă este generată pe scurt de lasere cu puteri maxime extreme sau densități de energie." așa s-a încheiat ultima mea postare despre materie caldă și densă. Deci, vom folosi lasere de mare putere și lasere de mare energie. Dar care este exact diferența și de ce nu suntem mulțumiți de unul sau de un compromis al ambelor.
În primul rând, aș dori să vă reamintesc relația dintre putere și energie. Energia este abilitatea de a lucra. Energia este o cantitate de conservare. Cu aceasta, materia poate fi încălzită și pusă în mișcare sau sarcinile pot fi separate de forțele electrice. Puterea este energie de fiecare dată. Performanța maximă a unui proces indică cât de multă energie curge în caz extrem. Performanța este o schimbare a energiei.
Laser cu energie mare
Un laser cu energie ridicată transmite energia maximă într-un singur impuls. Impulsul nu trebuie să fie în mod arbitrar lung, deoarece energia ar trebui să încălzească materia local. Energia trebuie depozitată mai repede decât este distribuită căldura în material.
Laserul cu energie ridicată care va fi utilizat în sala noastră experimentală va aplica în jur de 100 de jouli în impulsuri de două până la douăzeci de nanosecunde. Asta nu sună prea mult la început.
100 de jouli sunt 24 de calorii, ceea ce înseamnă energia necesară pentru a încălzi 1 gram de apă cu 24 de grade. Un gram de apă este de un centimetru cub. Dar un astfel de laser nu este focalizat pe un centimetru pătrat, ci pe fracțiuni de milimetru. Cu un punct focal de 0,1 pe 0,1 milimetri, un ordin de mărime care poate fi ușor atins, avem de-a face cu o zecime de miime de inch pătrat. Dacă adâncimea de penetrare este mai mică de un milimetru, ne încălzim cu sute de mii de grade.
Nanosecundele sunt miliardimi de secundă. Acesta este intervalul de timp în care atomii de gaz se mișcă în intervalul milimetric. O explozie nu ajunge departe într-o nanosecundă. Câteva nanosecunde sunt, prin urmare, exact momentul potrivit pentru a încălzi cu adevărat o bucată sub-milimetrică de materie.
Laserele de mare energie se bazează pe discuri de sticlă sau cristal care sunt dopate (dopate) cu yterterul de pământuri rare1. Un impuls luminos este mai întâi generat într-un rezonator laser și extras prin deversarea cavității. Ionii de iterbiu din discurile de cristal sunt excitați în timp și pulsul laserului este amplificat coerent. Geamurile se încălzesc până la limita capacității lor de încărcare. Viteza cu care un astfel de laser poate declanșa este în esență limitată de timpul necesar răcirii discurilor din nou. Ne propunem cel puțin un impuls pe secundă, mai bine zece. Zece impulsuri pe secundă este rata la care este acționat laserul nostru cu raze X bazat pe accelerator.
Laser de înaltă intensitate
Lasere de mare putere sau de înaltă intensitate pot fi realizate făcând impulsurile mult mai scurte. La urma urmei, performanța este energie pe timp. La aproximativ 30 de femtosecunde, astfel de impulsuri laser sunt de un milion de ori mai scurte decât cele de la lasere cu energie mare. Dar ele conțin doar o douăzeci și cinci din energie: 4 jouli.
După cum am arătat odată, lungimea de undă a laserelor optice este mult mai mare decât dimensiunea atomilor. Lumina acționează în principal ca un câmp electric care vibrează. Electronii din câmp vibrează ca o barcă pe apă. În majoritatea cazurilor câmpul electric al unei surse de lumină este doar o mică variație a câmpului electric total. Interacțiunile sunt în mare parte rezonanțe. Acest lucru este diferit cu laserele de mare intensitate: aici câmpul electric este suficient pentru a rupe direct electroni din atomi.
Efectul principal al unui astfel de laser nu este încălzirea materiei, ci interacțiunea directă cu electronii. Electronii pot deveni atât de repede încât generează scurgeri de raze X când se întorc la atom sau chiar scot protoni din nucleu.
Parametrul pentru intensitate mare este puterea pe suprafață: wați pe centimetru pătrat (W/cm²). Laserul cu 4 jouli, 30 femtosecunde poate, focalizat pe câțiva micrometri, să atingă densități de putere de suprafață de peste 10 20 W/cm². Pragul de ionizare, adică densitatea de putere necesară pentru a elibera doar electroni din material, este de 10 12 W/cm² pentru metale și 10 13 W/cm² pentru neconductori.
Pentru a genera intensități mari și impulsuri scurte, este necesar un laser cu modul de blocare pe o gamă largă de lungimi de undă. Aici se folosesc cristale de safir dopate cu titan. Laserele cu titan-safir generează lumină la o lungime de undă de 800 nanometri, adică în domeniul spectral infraroșu, cu o lățime de bandă mare între 670 și 1070 nanometri. Acest lucru face ca aceste lasere să fie reglabile pe o gamă largă de lungimi de undă, sau pot fi generate impulsuri deosebit de scurte. Lățimea de bandă mare are, de asemenea, avantajul că impulsurile laserului pot fi întinse și comprimate în timp cu grătare de difracție. Un impuls relativ lung poate fi amplificat pentru a reduce densitatea maximă a puterii în cristal și, astfel, pentru a evita deteriorarea acestuia. Pulsul amplificat este apoi comprimat din nou la câteva femtosecunde pentru a atinge puterea maximă de vârf.
Ceea ce este mai bine, un laser cu nanosecunde cu 100 de jouli sau un laser cu femtosecundă cu 4 jouli, depinde de experiment. Întrebarea la care trebuie răspuns. Dacă ambele sunt disponibile, putem studia materia cu energii mari sau sub influența câmpurilor înalte.