Мощност или енергия
"В лабораторията топлата материя се генерира за кратко от лазери с екстремни максимални мощности или енергийни плътности." така завърши последният ми пост за топла, плътна материя. Така че ще използваме лазери с висока мощност и лазери с висока енергия. Но каква точно е разликата и защо не сме доволни от едното или компромис от двете.
Преди всичко бих искал да ви напомня за връзката между властта и енергията. Енергията е способността да се върши работа. Енергията е запазващо количество. С него материята може да се нагрее и да се задейства или да се отделят заряди срещу електрически сили. Мощността е енергия за време. Пиковата ефективност на даден процес показва колко енергия протича в краен случай. Изпълнението е промяна в енергията.
Високоенергиен лазер
Високоенергийният лазер предава максимална енергия за един импулс. Импулсът не може да бъде с каквато и да е дължина, тъй като енергията трябва да нагрява материята локално. Енергията трябва да се отлага по-бързо, отколкото топлината се разпределя в материала.
Високоенергийният лазер, който ще се използва в нашата експериментална зала, ще прилага около 100 джаула в импулси от две до двадесет наносекунди. Отначало това не звучи много.
100 джаула са 24 калории, което е около енергията, необходима за загряване на 1 грам вода с 24 градуса. Един грам вода е един кубичен сантиметър. Но такъв лазер не е фокусиран върху квадратен сантиметър, а върху фракции от милиметър. С фокусна точка от 0,1 на 0,1 милиметра, порядък, който може лесно да бъде постигнат, ние имаме работа с десет хилядни от квадратен инч. Ако дълбочината на проникване е по-малка от един милиметър, ние се загряваме със стотици хиляди градуса.
Наносекундите са милиардни от секундата. Това е интервалът от време, в който газовите атоми се движат в милиметровия диапазон. Експлозията не стига далеч за наносекунда. Следователно няколко наносекунди са точно подходящото време за наистина загряване на подмилиметрова бучка материя.
Високоенергийните лазери се основават на стъклени или кристални дискове, които са легирани (легирани) с рядкоземния итербий1. Светлинният импулс първо се генерира в лазерен резонатор и се извлича чрез изхвърляне на кухини. Йтербиевите йони в кристалните дискове се възбуждат навреме и лазерният импулс се усилва кохерентно. Стъклата се загряват до границата на своята товароносимост. Скоростта, с която такъв лазер може да се задейства, е по същество ограничена от времето, необходимо за охлаждане на дисковете отново. Ние се стремим към поне един импулс в секунда, по-добре десет. Десет импулса в секунда е скоростта, с която се базира нашия рентгенов лазер, базиран на ускорител.
Лазер с висока интензивност
Лазерите с висока мощност или висока интензивност могат да бъдат постигнати, като импулсите станат много по-кратки. В крайна сметка силата е енергия за време. При около 30 фемтосекунди такива лазерни импулси са милион пъти по-кратки от тези от високоенергийните лазери. Но те съдържат само двадесет и пета от енергията: 4 джаула.
Както веднъж показах, дължината на вълната на оптичните лазери е много по-голяма от размера на атомите. Светлината действа главно като вибриращо електрическо поле. Електроните в полето вибрират като лодка по вода. В повечето случаи електрическото поле на светлинен източник е само малка вариация в общото електрическо поле. Взаимодействията са предимно резонанси. При лазерите с висока интензивност това е различно: тук електрическото поле е достатъчно за директно откъсване на електроните от атомите.
Основният ефект на такъв лазер не е нагряването на материята, а директното взаимодействие с електроните. Електроните могат да станат толкова бързи, че да генерират кратки рентгенови светкавици, когато се върнат в атома или дори избият протоните от ядрото.
Параметърът за висока интензивност е мощност на площ: ватове на квадратен сантиметър (W/cm²). 4 джоула, 30 фемтосекундни лазера, фокусирани върху няколко микрометра, постигат плътност на повърхностната мощност над 10 20 W/cm². Прагът на йонизация, т.е. плътността на мощността, необходима само за освобождаване на електрони от материала, е 10 12 W/cm² за метали и 10 13 W/cm² за непроводници.
За генериране на висока интензивност и къси импулси е необходим лазер с блокиране на режим в голям диапазон от дължини на вълната. Тук се използват легирани с титан сапфирни кристали. Титаниево-сапфировите лазери генерират светлина с дължина на вълната 800 нанометра, т.е.в инфрачервения спектрален диапазон, с голяма честотна лента между 670 и 1070 нанометра. Това прави тези лазери регулируеми в широк диапазон от дължини на вълната или могат да се генерират особено кратки импулси. Голямата честотна лента също има предимството, че лазерните импулси могат да се разтягат и компресират във времето с дифракционни решетки. Сравнително дълъг импулс може да бъде усилен, за да се намали максималната плътност на мощността в кристала и по този начин да се избегнат повреди в кристала. След това усиленият импулс се компресира отново до няколко фемтосекунди, за да се постигне максимална пикова мощност.
Кое е по-добре, наносекундният лазер със 100 джаула или фемтосекундният лазер с 4 джаула, зависи от експеримента. Въпросът, на който трябва да се отговори. Ако и двете са налични, можем да изучаваме материята с високи енергии или под въздействието на високи полета.