Erő vagy energia
"A laboratóriumban a meleg anyagot röviden a legmagasabb maximális teljesítményű vagy energiasűrűségű lézerek generálják." így ért véget utolsó hozzászólásom a meleg, sűrű anyagról. Tehát nagy teljesítményű és nagy energiájú lézereket fogunk használni. De mi a különbség pontosan, és miért nem vagyunk elégedettek mindkettő egyikével vagy kompromisszumával.
Először is emlékeztetni szeretném a hatalom és az energia kapcsolatára. Az energia a munkavégzés képessége. Az energia megőrzési mennyiség. Ezzel az anyag melegíthető és mozgásba hozható, vagy a töltések elválaszthatók az elektromos erőktől. A hatalom energia/idő. Egy folyamat csúcsteljesítménye jelzi, hogy mennyi energia áramlik szélsőséges esetben. Az erő az energia változása.
Nagy energiájú lézer
Egy nagy energiájú lézer egyetlen impulzusban továbbítja a maximális energiát. Az impulzus nem lehet önkényesen hosszú, mert az energia állítólag lokálisan melegíti az anyagot. Az energiát gyorsabban kell lerakni, mint a hő eloszlása az anyagban.
A kísérleti csarnokunkban használt nagy energiájú lézer körülbelül 100 joule-t alkalmaz 2–2 nanoszekundumos impulzusokban. Ez elsőre nem tűnik soknak.
100 joule 24 kalória, ami körülbelül 1 gramm víz 24 fokos melegítéséhez szükséges energia. Egy gramm víz egy köbcentiméter. De egy ilyen lézer nem négyzetcentiméterre van fókuszálva, hanem egy milliméter töredékeire. 0,1 és 0,1 milliméteres fókuszponttal, könnyen elérhető nagyságrenddel egy négyzetcentiméter tízezredével van dolgunk. Ha a behatolási mélység kevesebb, mint egy milliméter, több százezer fokkal felmelegszünk.
A nanoszekundum másodperc milliomod része. Ez az az időtartam, amelyben a gázatomok milliméteres tartományban mozognak. A robbanás nem jut messze egy nanoszekundum alatt. Néhány nanomásodperc tehát éppen a megfelelő alkalom, hogy valóban felmelegítsük az anyag milliméter alatti részét.
A nagy energiájú lézerek olyan üveg- vagy kristálylemezeken alapulnak, amelyeket a ritkaföldfém itterbiummal adalékolnak (adalékolnak). A fényimpulzust először egy lézerrezonátorban hozzák létre, és üregdömpinggel vonják ki. A kristálylemezekben lévő itterbium-ionok időben gerjesztődnek, és a lézerimpulzus koherensen felerősödik. Az ablaktáblák teherbírásuk határáig felmelegednek. Az ilyen lézer tüzelésének sebességét lényegében korlátozza az az idő, amely a lemezek újbóli lehűléséhez szükséges. Célunk legalább egy impulzus másodpercenként, jobb tíz. Tíz impulzus másodpercenként az a sebesség, amellyel gyorsító alapú röntgen lézerünket ütemezzük.
Nagy intenzitású lézer
Nagy teljesítményű vagy nagy intenzitású lézerek érhetők el, ha az impulzusokat sokkal rövidebbé teszik. Végül is a teljesítmény időnként energia. Körülbelül 30 femtoszekundumnál az ilyen lézerimpulzusok milliószor rövidebbek, mint a nagy energiájú lézerek impulzusai. De csak az energia huszonötödét tartalmazzák: 4 joule.
Amint azt egyszer bemutattam, az optikai lézerek hullámhossza sokkal nagyobb, mint az atomok mérete. A fény főleg vibráló elektromos térként működik. A mező elektronjai úgy rezegnek, mint egy csónak a vízen. A legtöbb esetben egy fényforrás elektromos mezője csak apró eltérést jelent a teljes elektromos mezőben. Az interakciók többnyire rezonanciák. Ez különbözik a nagy intenzitású lézereknél: Itt az elektromos tér elegendő ahhoz, hogy az elektronokat közvetlenül az atomoktól elszakítsa.
Az ilyen lézer fő hatása nem az anyag melegítése, hanem az elektronokkal való közvetlen kölcsönhatás. Az elektronok olyan gyorsakká válhatnak, hogy rövid röntgensugárzást generálnak, amikor visszatérnek az atomhoz, vagy akár kiütik a protonokat a magból.
A nagy intenzitás paramétere a területenkénti teljesítmény: watt/négyzetcentiméter (W/cm²). A 4 joule, 30 femtoszekundumos lézer néhány mikrométerre fókuszálva 10 20 W/cm2 feletti felületi sűrűséget képes elérni. Az ionizációs küszöb, vagyis az elektronok anyagból történő felszabadításához szükséges teljesítménysűrűség 10 12 W/cm² fémek esetében és 10 13 W/cm² nem vezetők esetén.
Nagy intenzitású és rövid impulzusok generálásához nagy hullámhossztartományú üzemmódban rögzített lézerre van szükség. Titánnal adalékolt zafírkristályokat használnak itt. A titán-zafír lézerek 800 nanométeres hullámhosszon, azaz az infravörös spektrális tartományban generálnak fényt, nagy sávszélességgel 670 és 1070 nanométer között. Ezáltal ezek a lézerek széles hullámhosszon hangolhatók, vagy különösen rövid impulzusok generálhatók. A nagy sávszélességnek az az előnye is, hogy a lézerimpulzusok diffrakciós rácsokkal idővel megnyújthatók és összenyomhatók. Viszonylag hosszú impulzus erősíthető annak érdekében, hogy csökkentse a maximális teljesítménysűrűséget a kristályban, és ezáltal elkerülje a kristály károsodását. Az amplifikált impulzust ezután ismét néhány femtoszekundumra összenyomják a maximális csúcsteljesítmény elérése érdekében.
Melyik a jobb, egy nanoszekundumos lézer 100 joulával vagy egy femtoszekundumos lézer 4 joule-val a kísérlettől függ. A válaszra váró kérdés. Ha mindkettő rendelkezésre áll, nagy energiával vagy nagy mezők hatására tanulmányozhatjuk az anyagot.