• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • W Polsce powstanie laser najnowszej generacji

    28.03.2009. 13:38
    opublikowane przez: Maksymilian Gajda

    W Instytucie Problemów Jądrowych (IPJ) im. Andrzeja Sołtana w Świerku powstanie ultrafioletowy laser najnowszej generacji, pozwalający m.in. obrazować struktury na poziomie pojedynczych atomów. Będzie on jednym z elementów europejskiej sieci laserów powstającej w ramach unijnego 7. Programu Ramowego - poinformował rzecznik IPJ, dr Marek Pawłowski.


    Celem finansowanego przez Unię Europejską międzynarodowego projektu IRUVX jest zbudowanie rozproszonej, lecz w pełni spójnej i komplementarnej sieci badawczej składającej się z kilku europejskich laserów FEL (Free-Electron Laser). Urządzenia takie generują impulsy światła o mocy setek megawatów i długości impulsu rzędu femtosekund(femtosekunda to jedna biliardowa część sekundy). Światło to powstaje w wyniku przepuszczania przez szybkozmienne pole magnetyczne wiązki elektronów rozpędzonej w akceleratorze o długości kilkuset metrów.

    Jak zapewnia rzecznik IPJ, powstający w Świerku laser POLFEL, będzie największym i najnowocześniejszym urządzeniem badawczym w tej części Europy. Będzie mieć długości 400 m, a zostanie zlokalizowane między reaktorem jądrowym Maria i budynkiem po nieczynnym już reaktorze Ewa. Planowany koszt inwestycji to około 100-200 mln euro. Pawłowski wyjaśnia, że środki na jego pokrycie mogłaby pochodzić z funduszy strukturalnych, w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka.

    "Lasery na swobodnych elektronach (FEL) to wielkie mikroskopy pozwalające śledzić dynamikę nanostruktur w skali czasowej mierzonej w femtosekundach. (...) Spójne światło o płynnie regulowanej długości fali - od ultrafioletu aż do rentgenowskich długości poniżej 1 nm - pozwala na trójwymiarowe obrazowanie struktur na poziomie pojedynczych atomów" - tłumaczy rzecznik. Jego zdaniem, wprowadzają one "czwarty wymiar do badań nad procesami biologicznymi na ich najbardziej fundamentalnym poziomie, a nawet do badań przebiegu reakcji chemicznych".

    "Skonstruowanie takich urządzeń otwiera zupełnie nowy obszar badań, którego zakres trudno obecnie nawet sobie wyobrazić - piszą na stronie projektu specjaliści z IPJ. - Intensywność i jakość wytwarzanego przez nie promieniowania przewyższa tysiące razy obecne źródła. W niektórych przypadkach umożliwia uzyskanie promieniowania w zakresie obecnie praktycznie niedostępnym, jak zakres terahercowy. W fizyce, chemii, biologii, materiałoznawstwie, badaniach środowiska i medycynie lasery na swobodnych elektronach pozwolą na nowe spojrzenie do wnętrza żywych komórek, molekuł i materiałów, umożliwią badanie ich struktur oraz zachodzących tam reakcji".

    FEL - przekonuje Pawłowski - umożliwią m.in. terapię przeciwnowotworową polegającą na wprowadzaniu do organizmu nanoplatform aktywowanych następnie światłem laserowym. Pozwoli to na obrazowanie narządów wewnętrznych przy bardzo niskim ryzyku napromieniowania oraz dostrojenie długości fali promieniowania tak, by uzyskać selektywne, bezpośrednie niszczenie chorych komórek przy minimalnym uszkodzeniu otaczającej, zdrowej tkanki.

    Rzecznik IPJ informuje, że prowadzone są również prace nad zastosowaniem lasera na swobodnych elektronach do chirurgii otolaryngologicznej, by zminimalizować ryzyko uszkodzenia przez lekarza strun głosowych, co nierzadko prowadzi do nieodwracalnej utraty głosu. Chirurgia wykorzystująca FEL nie tylko zapobiegałaby temu ryzyku, ale nawet umożliwiła np. usunięcie już istniejących blizn.

    Naukowcy zauważają, że zakres terahercowy jest typowy dla częstotliwości drgań cząsteczek cieczy i wielu molekuł, więc promieniowanie takie może służyć do identyfikacji szkodliwych związków chemicznych np. metali ciężkich (takich jak ołów i kadm) czy izotopów radioaktywnych, pochodzących albo ze źródeł naturalnych, albo uwolnionych w wyniku awarii reaktora jądrowego. FEL pomogą też w badaniach atmosfery - detekcji i mapowaniu w czasie rzeczywistym procesów w niej zachodzących.

    "Zakres terahercowy (fale o wysokiej częstotliwości, niewidzialne dla oka i nieszkodliwe - PAP) jest też przedmiotem dużego zainteresowania służb specjalnych - terahercowa bramka na lotnisku mogłaby teoretycznie pozwolić na identyfikację nawet śladowych ilości substancji chemicznych wnoszonych przez człowieka na pokład samolotu" - dodaje dr Pawłowski.

    Dla polskich fizyków budowa POLFEL-a nie będzie pierwszym tego typu zadaniem. Doświadczenie zdobywają bowiem uczestnicząc w trwających obecnie pracach nad podobnym urządzeniem w Hamburgu. Z ich udziałem powstaje tam laser XFEL - największy z planowanych w ramach projektu IRUVX.

    Prace nad projektem IRUVX koordynuje konsorcjum EuroFEL.

    Pawłowski dodaje, że udział IPJ w projekcie IRUVX został już pozytywnie zaopiniowany przez Interdyscyplinarny Zespół ds. Infrastruktury Badawczej i Polityki Naukowej MNiSW. Plany budowy przedstawiono także na pierwszym walnym zgromadzeniu konsorcjum EuroFEL, które odbyło się w połowie marca w Trieście.

    PAP - Nauka w Polsce, Katarzyna Czechowicz

    agt/bsz

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Laser barwnikowy to laser wykorzystujący organiczny barwnik jako ośrodek czynny, zwykle w postaci ciekłego roztworu. W porównaniu do gazowych i większości ośrodków wykorzystujących ciało stałe, barwnik może być wykorzystywany w znacznie większym zakresie długości fal. Szerokie pasmo pozwala na użycie ich w regulowanych i pulsacyjnych laserach. Co więcej, barwnik może być zastąpiony jego innym typem w celu generacji światła innej długości przez ten sam laser, chociaż zwykle wymaga to wymiany części przyrządów optycznych w samym laserze. European XFEL: European XFEL (ang. European X-ray Free Electron Laser), czyli Europejski Rentgenowski Laser na Swobodnych Elektronach, jest budowany w synchrotronowym centrum badawczym DESY w Hamburgu. Jest to najbardziej zaawansowane przestrajalne laserowe źródło silnego promieniowania w zakresie rentgenowskim. Infrastruktura lasera rozpościera się od ośrodka w DESY aż do oddalonej o 3,5 km miejscowości Schenefeld, gdzie ulokowane będą laboratoria badawcze. Ten międzynarodowy projekt łączy naukowców i inżynierów z wielu krajów Europy i świata, w tym z Polski. Zjawisko Comptona, rozpraszanie komptonowskie – zjawisko rozpraszania promieniowania X (rentgenowskiego) i promieniowania gamma, czyli promieniowania elektromagnetycznego o dużej częstotliwości, na swobodnych lub słabo związanych elektronach, w wyniku którego następuje zwiększenie długości fali promieniowania. Za słabo związany uważamy przy tym elektron, którego energia wiązania w atomie, cząsteczce lub sieci krystalicznej jest znacznie niższa, niż energia padającego fotonu. Zjawisko przebiega w tym przypadku praktycznie tak samo, jak dla elektronu swobodnego.

    Laser – urządzenie emitujące promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu światła widzialnego, ultrafioletu lub podczerwieni, wykorzystujące zjawisko emisji wymuszonej. Nazwa jest akronimem od (ang.) Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation: wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania. Promieniowanie lasera jest spójne, zazwyczaj spolaryzowane i ma postać wiązki o bardzo małej rozbieżności. W laserze łatwo jest otrzymać promieniowanie o bardzo małej szerokości linii emisyjnej, co jest równoważne bardzo dużej mocy w wybranym, wąskim obszarze widma. W laserach impulsowych można uzyskać bardzo dużą moc w impulsie i bardzo krótki czas trwania impulsu (zob. laser femtosekundowy). Laser femtosekundowy - laser generujący impulsy światła o czasie trwania od kilku do kilkudziesięciu femtosekund (1 femtosekunda to 10 sekund). We współczesnych laserach tego typu ośrodkiem czynnym jest często kryształ syntetycznego szafiru domieszkowanego tytanem (Ti:Al2O3) albo światłowód domieszkowany iterbem (lub innymi pierwiastkami ziem rzadkich, zob. np. wzmacniacz optyczny). Generacja tak krótkich impulsów światła jest możliwa dzięki zjawisku pasywnej lub aktywnej synchronizacji modów.

    NIRS (z ang. near infrared spectroscopy) - technika wizualizacji aktywności mózgu, polegająca na przepuszczeniu promieni lasera przez czaszkę. Lasery te są bardzo słabe, jednak pracują z częstotliwością fali świetlnej (bliskiej podczerwieni), dla której czaszka jest przeźroczysta. Krew zawierająca tlen absorbuje inne częstotliwości fal świetlnych niż krew, w której tlen został już pochłonięty. Stąd obserwując ilość światła o różnych częstotliwościach odbijającą się od mózgu naukowcy mogą śledzić przepływ krwi. Spektrometria promieniowania gamma polega na ilościowym badaniu widma energetycznego promieniowania gamma źródeł, bez względu na pochodzenie - tak ziemskich jak i kosmicznych. Promieniowanie gamma jest najbardziej energetycznym zakresem promieniowania elektromagnetycznego, będąc fizycznie tym samym promieniowaniem co np. promieniowanie rentgenowskie, światło widzialne, podczerwień, nadfiolet czy fale radiowe, różniącym się od tych form wyższą energią fotonów i odpowiadającą jej wyższą częstotliwością oraz mniejszą długością fali. (Z powodu wysokiej energii fotonów gamma są one na ogół liczone indywidualnie, natomiast fotony najniższych energii promieniowania elektromagnetycznego, jak np. fale radiowe są obserwowane jako fale elektromagnetyczne składające się z wielu fotonów o niskiej energii.) Podczas gdy licznik Geigera lub podobne urządzenie określa jedynie częstość zliczeń (tj. liczbę zarejestrowanych - oddziałujących z substancją czynną detektora - kwantów gamma na sekundę), spektrometr promieniowania gamma pozwala również wyznaczyć energie rejestrowanych przez detektor a emitowanych przez źródło fotonów gamma.

    Rozproszony reflektor Bragga (ang. Distributed Bragg reflector, DBR), inna nazwa to zwierciadło Bragga - jest to urządzenie optyczne stosowane w technice laserowej i światłowodowej, którego działanie jest ściśle związane z prawem Bragga. Rozproszony reflektor Bragga jest strukturą utworzoną z kilku warstw materiałów o naprzemiennie różnym współczynniku załamania światła, bądź posiadającą okresowo zmienne pewne cechy, jak np. rozmiar falowodu. W wyniku uzyskuje się okresowe zmiany efektywnego współczynnika załamania światła na jego drodze przez falowód. Każda granica warstw powoduje częściowe odbicie fali optycznej. Dla fal, których długość jest bliska czterokrotnej grubości optycznej warstw, fale odbite sumują się z falami interferencyjnymi – otrzymuje się wtedy rodzaj selektywnego zwierciadła optycznego, tzw. "selektywne zwierciadło Bragga". Zakres długości fal, które ulegają odbiciu zwany jest "fotoniczną przerwą wzbronioną", lub inaczej: w tym zakresie długości fal ich rozchodzenie w strukturze jest zabronione. Opisane zjawisko fizyczne zwane jest też "rozproszonym odbiciem Bragga" (ang. Distributed Bragg Reflection). Laser półprzewodnikowy – nazywany również laserem diodowym lub diodą laserową - laser, którego obszarem czynnym jest półprzewodnik. Najczęściej laser półprzewodnikowy ma postać złącza p-n w którym obszar czynny jest pompowany przez przepływający przez złącze prąd elektryczny. Są to najbardziej perspektywiczne lasery z punktu widzenia ich zastosowań w fotonice ze względu na małe wymiary, dość wysokie moce, łatwość modulacji prądem sterującym o wysokiej częstotliwości (rzędu gigaherców) i możliwość uzyskania promieniowania od pasma bliskiej podczerwieni (diody laserowe dla telekomunikacji światłowodowej) do skraju fioletowego pasma widzialnego.

    Dodano: 28.03.2009. 13:38  


    Najnowsze