Laseri u Laseri u astrofiziciastrofizici

(adaptivna optika)(adaptivna optika)Tomislav JurkićOdsjek za fizikuSveučilište u Rijeci

Laseri u Laseri u astrofizici? astrofizici?

Što? Gdje? Što? Gdje? Zašto?Zašto?

1. Primjena lasera u astrofizici

2. Adaptivna optika3. Vrste lasera i

metoda u AO4. Astronomsko

rudarenje ??

Primjena lasera u astrofiziciPrimjena lasera u astrofizici

1.1. Adaptivna optika (AO) Adaptivna optika (AO) 2.2. Laboratorijska simulacija Laboratorijska simulacija

astrofizičkih uvjeta i objekata, astrofizičkih uvjeta i objekata, posebno stanja i procesa na posebno stanja i procesa na prašiniprašini

3.3. Astronomska optika Astronomska optika

Adaptivna optika - Adaptivna optika - principprincip

Valna fronta s udaljene zvijezde biva Valna fronta s udaljene zvijezde biva distorzirana uslijed lokalnih distorzirana uslijed lokalnih promjena gustoće i optičkih promjena gustoće i optičkih svojstava atmosferesvojstava atmosfere AO korigira deformiranu valnu AO korigira deformiranu valnu frontu koristeći nekoliko ‘trikova’frontu koristeći nekoliko ‘trikova’

Uz pomoć deformirajučih zrcala Uz pomoć deformirajučih zrcala dobiva se korigirana ravna valna dobiva se korigirana ravna valna frontafronta

Adaptivna optikaAdaptivna optika

Kako ispraviti valnu frontu?Kako ispraviti valnu frontu?

Metode:Metode:1.1. Usporedna zvijezdaUsporedna zvijezda2.2. Laserski stvorena Laserski stvorena

umjetna zvijezdaumjetna zvijezda3.3. Rayleighovo rapršenje Rayleighovo rapršenje

laserskog snopalaserskog snopa

Dobiveni signal prirodne ili Dobiveni signal prirodne ili umjetne zvijezde umjetne zvijezde prilagođuje se idealnoj PSF prilagođuje se idealnoj PSF krivulji, i u skladu s krivulji, i u skladu s analizom deformira glavno analizom deformira glavno zrcalozrcalo

Adaptivna optikaAdaptivna optika

Mt. Palomar

Metoda Rayleighovog raspršenjaMetoda Rayleighovog raspršenja

Rayleighovo (elastično) raspršenje laserskog snopa na Rayleighovo (elastično) raspršenje laserskog snopa na česticama aerosola i molekulama atmosferečesticama aerosola i molekulama atmosfere

Uključuje analizu i raspršenja i apsorpcijeUključuje analizu i raspršenja i apsorpcijeRayleighov udarni presjek ~ Rayleighov udarni presjek ~ -4-4 => kraće => kraće valne duljine su boljevalne duljine su bolje

Efikasno do visina od 10-15 km (ground-Efikasno do visina od 10-15 km (ground-layer laser AO - GLAO)layer laser AO - GLAO)

Koriste ga opservatorije na Mauna Kei, Koriste ga opservatorije na Mauna Kei, Mt. Wilson, SOR...Mt. Wilson, SOR...

UV i optički laseriUV i optički laseri

Vrste lasera:Vrste lasera:-Nd:YAG laseri dvostruko niže frekvencijeNd:YAG laseri dvostruko niže frekvencije-Excimer laseriExcimer laseri

Pouzdani, ne pretjerano skupi laseriPouzdani, ne pretjerano skupi laseri

Metoda Rayleighovog raspršenjaMetoda Rayleighovog raspršenja

Nd:YAG laserNd:YAG laser-Neodimij dopiran itrij-aluminij granatomNeodimij dopiran itrij-aluminij granatom-Frekvencija 1064 nmFrekvencija 1064 nm-Nelinearni kristali => 355/532 nmNelinearni kristali => 355/532 nm-EfikasniEfikasni

Excimer laserExcimer laser

Metoda Rayleighovog raspršenjaMetoda Rayleighovog raspršenja

Manje efikasni od Nd:YAG laseraManje efikasni od Nd:YAG lasera

Ultraljubičasti kemijski laserUltraljubičasti kemijski laserEXCIMER – excited dimmerEXCIMER – excited dimmer

Upotrebljava kombinaciju inertnog plemenitog plina i plina Upotrebljava kombinaciju inertnog plemenitog plina i plina reaktivnih elemenata (fluor, klor)reaktivnih elemenata (fluor, klor)

U osnovnom stanju inertni i reaktivni plin ne reagirajuU osnovnom stanju inertni i reaktivni plin ne reagiraju

U pobuđenom stanju inertni i reaktivni plin reagiraju i tvore U pobuđenom stanju inertni i reaktivni plin reagiraju i tvore dimer – pseudo-molekuladimer – pseudo-molekula

Raspadom dimera emitira se UV fotonRaspadom dimera emitira se UV foton

Pobuda => električnaPobuda => električna

Rayleighov AO – Starfire Optical RangeRayleighov AO – Starfire Optical Range

Albuquerque, New Mexico, SADAlbuquerque, New Mexico, SAD

5 kHz, 50 ns duljina trajanja pulsa5 kHz, 50 ns duljina trajanja pulsa75 W snage75 W snageVisina: 10 kmVisina: 10 kmPovečanje vrha PSF-a: 9 putaPovečanje vrha PSF-a: 9 putaVlasnik: US ArmyVlasnik: US Army

Laserski stvorena umjetna zvijezda (LSG)Laserski stvorena umjetna zvijezda (LSG)

Na rezonantno raspršenje – emisija na 589.2 nm

Sloj natrija je prisutan u mezosferi na visni od 90 km => iznad Sloj natrija je prisutan u mezosferi na visni od 90 km => iznad gustih atmosferskih slojevagustih atmosferskih slojeva

Laserski inducirana emisija natrija u mezosferi stvara Laserski inducirana emisija natrija u mezosferi stvara ‘umjetnu’ zvijezdu => ‘umjetnu’ zvijezdu => promatra se distorzija valne fronte tako se distorzija valne fronte tako stvorene zvijezde na putu kroz atmosferustvorene zvijezde na putu kroz atmosferu

Problem : 589.2 nm ne odgovara niti jednom laserskom materijalu : 589.2 nm ne odgovara niti jednom laserskom materijalu

Rješenje:-Laseri s organskim bojama (dye) daju cijeli niz frekvencija-Miješanje frekvencija dvaju lasera iz čvrstog materijala

LSG laseri na Na linijiLSG laseri na Na liniji

Prvi Na laser => Lawrence Livermore National Laboratory (Avicola et al., 1994)

Vrste i upotreba:

1. long-pulse dye laser (Lick, Keck)

2. CW dye laser (Calar Alto, Yerkes, Mauna Kea)

3. Frequency sum laser (Lincoln Lab/SOR)

Laseri s organskim bojamaLaseri s organskim bojama

Velika širina frekvencijaLaser se pumpa između osnovnog S0 i prvog pobuđenog nivoa S1

Zbog široke apsorpcijske vrpce, fluorescencija na rasponu valnih duljina

Organske boje:Rodamin 6GFluorescinKumarinStilbenTetracenMalahit zeleno

Laseri s organskim bojamaLaseri s organskim bojama

Efikasnost: dobra, no problem s pumpanjem

Vrste lasera s organskim bojama:

1. Single-frequency CW (VLT) (prednost – ne saturira Na sloj)

2. Pulsni laseri (Lick, Keck) (prednost: može doseći veću snagu)

Keck obs.

Pulsni dye laser (Lick obs.)Pulsni dye laser (Lick obs.)

Pulsni dye laser (Keck obs.)Pulsni dye laser (Keck obs.)

6 YAG lasera preko optičkih vlakana pumpaju oscilator, predpojačalo i pojačalo => 15-20 W laser

V9.5 mag LGS

Pulsni dye laser (Keck obs.)Pulsni dye laser (Keck obs.)

Čvrsti laser sume frekvencijaČvrsti laser sume frekvencija

Koriste se dva lasera na različitim frekvencijama, u čvrstom stanju => Nd:YAG laseri s frekvencijama 1064.6 nm i 1319.3 nm

Nelinearni kristal zbraja frekvencije => rezultat 589 nm

Pumpanje: niz malih laserskih dioda

Čvrsti laser sume frekvencijaČvrsti laser sume frekvencija

Prvi puta demonstriran 1991. g. (Jeys et al. – Lincoln Labs)

Srednja snaga 8-10 WDužina pulsa 150 s

2.3 kW potrošnja energije1000 sati rada bez kvara

Slijedeća generacija lasera sume frekvencija:Starfire Optical Range (3.5 m teleskop):24 W (1064 nm) + 15 W (1319 nm) => 20 W (589 nm)300 W potrošnja energije

Gemini teleskop: CW mode-locked Nd:YAG laserTrajanje pulsa 510 ps, 20 W snage

Slijedeća generacija AO laseraSlijedeća generacija AO lasera

Laseri u rezonatoru od optičkog vlakna

Oscilatorna šupljina je dopirano vlakno

Vlakno se pumpa s laserskim diodama

CW laseri u vlaknu => snaga do 500 W

Kompaktni, efikasni, pouzdani, sigurni (čvrsto stanje)

Rezultati adaptivne optikeRezultati adaptivne optike

Subaru (LGS)

Mt. PalomarLick (LGS – dye laser)

Zahvaljujem se na pažnji!

Tomislav Jurkićtjurkic@ffri.hrOdsjek za fizikuFilozofski fakultetRijeka

Spektralna energetska distribucija (SED) Spektralna energetska distribucija (SED) cirkumstelarne okolinecirkumstelarne okoline

Vinković & Jurkić, ApJ, 2007

Astronomske Astronomske “rude”“rude”

Pirokseni (silikati – MgxFe1-xSiO3): olivin forsteritSiCCOksidiPAH-oviVoda

-Kristali-Amorfne tvorevine (stakla)