LASER ve Fy, ICT, Z, Ch, Bi

1. LASER ve Fy, ICT, Z,Ch, Bi RNDr. Vladimír Vícha, Ing. Jitka Svobodová, Mgr. Marie Poštová, PaedDr. Josef Svoboda

2. Obsah projektu: • Přednáška o principu laseru a jeho využití ve Fy, ICT, Z, Ch • Experimenty s laserovým ukazovátkem • Exkurze na PALS a úlohy z exkurze • Test s vyhledáváním informací

3. FYZIKÁLNÍ PRINCIPY LASERU Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Vhodné aplety: Bohrův model atomu Absorpce a spontánní emise Optické buzení Rezonátor Tříhladinový laser Argon-iontový laser Porovnání světla různých zdrojů

4. LASER v ICT Záření pro optické kabely • Infračervené záření – vlnová délka trochu delší než červené světlo (infrared light). • Vybraná vlnová délka pro záření v optických kabelech : 850 nm • 1310 nm • 1510 nm • !!! Tyto vlnové délky se přenáší lépe než ostatní.

5. Úplný vnitřní odraz Světelný paprsek (nosič informace v optickém kabelu) musí zůstat uvnitř kabelu – nesmí se lomit (= ztráta energie) na materiálu obalujícím optické vlákno. Dvě podmínky : jádro musí mít větší index lomu než obalující materiál (plášť – cladding) úhel dopadu paprsku je větší než mezní úhel pro jádro a jeho obalení

6. Úplný vnitřní odraz = celý dopadající paprsek se odráží zpět do optického vlákna – paprsek se šíří „cik cak“ v jádře Dva faktory omezující úhel dopadu vstupující do jádra: rozsah úhlů, které mohou být úplně odraženy vidy (modes) – cesty, kterými jdou paprsky skrz optický kabel

7. Optický kabel Propustnost : 100 Mb/s – 10 Gb/s Drahý Délka kabelu : nad 2 000 m Průsvitné vlákno (skleněné nebo plastové) velmi tenké = jádro (core), kolem plastový obal (cladding). El. signály jsou převáděny laserem nebo LED na světelné. Má dva kabely vedle sebe – jeden pro příchozí data, druhý pro odchozí. Odolný proti rušení. Pro venkovní použití. 2 typy : singlemode – jednovidový – vzdálenost 50 km, laser multimode – mnohovidový – vzdálenost 2 km, LED

8. Multimode x singlemode fiber malé jádro menší rozptyl (ztráta signálu) dlouhé vzdálenosti nad 3 km Laser páteřní kabeláž mezi budovami větší jádro větší rozptyl (ztráta signálu) vzdálenosti do 2 km LED uvnitř LAN nebo MAN

9. Další části • Transmitter – převodník el. signálu na světelné pulsy • Multimode fiber – LED – infračervené světlo 850 nm nebo 1310 nm – levnější, bezpečnější, jen na kratší vzdálenost • Singlemode fiber – Laser - infračervené světlo 1310 nm nebo 1510nm • Receiver - fotoelektrická buňka - detekuje světelné pulsy a převádí na el. signály • polovodičová součástka PIN fotodioda – je citlivá na dané vlnové délky – 850, 1310 • i 1510 nm • Konektory - Multimode fiber – Subscriber Connector (SC connector) • - Single-mode fiber - Straight Tip (ST) connector • Patch panely • Repeater – obnova signálu

10. Signály a rušenívoptickém kabelu • Není problém s rušením, s přeslechy jako u TP – vyšší propustnost – gigabitový a deseti gigabitový Ethernet – využití pro MAN a WAN • Problémy - ztráta světelné energie (síly signálu) • Příčiny – • rozklad (dispersion) – dáno šířením signálu určitou délkou kabelu (fyzikální vlastnosti) • rozptyl (scattering) – dáno mikroskopickou deformací kabelu • absorpce (absorption) – chemické nečistoty v kabelu • výrobní nedokonalosti na hranici jádro – obal • chromatický rozptyl – světelné vlny se šíří nepatrně rozdílnou rychlostí – rozpad na spektrum barev – odstranění pouze světlo jedné barvy !!!, ale laser i LED generují řadu vlnových délek – toto limituje délku kabelu • nevhodná instalace • špinavé konce kabelu

11. Největší zdroj problémů – špatná instalace Stlačení nebo natažení kabelu – malé trhlinky v jádře = rozptyl Velký ohyb kabelu = rozptyl – ochranou je uložení kabelu do nosného vnějšího potrubí „interduction“ – tužší než kabel – nelze snadno ohýbat po oddělení konce kabelu musí být správně vyhlazeny – kontrola vyleštění a tvaru pomocí lupy po kontrole pečlivé připevnění konektorů spoj musí být a musí se udržet čistý – konce kabelu jsou pokryty ochrannou vrstvou – před zapojením se čistí tkaninou namočenou do čistého alkoholu (platí to i pro porty na routeru nebo přepínači) – nečisté konce způsobí velký pokles množství signálu u přijímače Instalace, údržba a testování

12. Testování kabelu vždy test kabelu před použitím – zda dostatečné množství světla projde na konec – správné rozpoznání „0“ a „1“ výpočet množství ztraceného signálu = optický rozpočet ztráty spoje (optical link loss budget ) jednotka množství ztráty síly signálu - decibel (dB) – kolik procent signálu od vysílače dojde k přijímači vždy záznam o testu uschovat !!!! Dva příklady přístrojů - Calibrated Light Sources and Light Meter

13. LASER V GEOGRAFII Meteorologie aekologie Geofyzika LIDAR – výška oblačnosti turbulence znečišťující látky v ovzduší Z měření polohy družic lze určit polohu místa na Zemi – pohyb litosférických desek

14. Astronomie Koutové odrážeče Vzdálenost k odražeči na Měsíci se dá měřit s centimetrovou přesností

15. Koutové odrážeče na Měsíci 1969, Apollo 11 1970, Luna 17 Francouzský odrážeč na Lunochodu 1 1971, Apollo 14 Apollo 15 1973, Francouzský odrážeč na Lunochodu 2

16. Princip měření vzdálenosti Doposud 11 observatoří v 5 státech USA, Rusko, Japonsko, Francie, Německo-observatoř Wetzell leží nedaleko hranic s ČR

17. Zlepšování přesnosti Vzdálenost k Měsíci byla určena: 1969 – 40 cm 1985 – 18 cm dnes – 5 mm

18. LASER V CHEMII Chemické lasery Plynové lasery s velmi účinnou přeměnou primární chemické energie v energii koherentního laserového záření

19. COIL – chemický kyslíko-jodový laser • V samostatném zařízení je připraven v elektronově excitovaném stavu molekulární kyslík • Cl2 + H2O2 + 2KOH  O2 + 2H2O + 2KCl O2 má dobu života asi 70 min. Je smíchán s I2(g), který disociuje na atomy a pomocí srážek s kyslíkem je excitován. O2 + I  I + O2 excitovaný základní excitovaný základní stav stav stav stav V optickém rezonátoru pak probíhá stimulovaná emise excitovaných atomů jodu. I  I + hf vlnová délka 1,315 mikrometrů

20. Přednosti systému COIL • Vysoká účinnost - až 40% • Krátká vlnová délka =>přenos laserového svazku běžným Si vláknem až na 20 m a lepší absorpce kovovými materiály • Nevýhody • náročná obsluha-nebezpečné chemikálie

21. Potenciální využití • Demontáže a likvidace kontaminovaných jaderných reaktorů a nebezpečných chemických provozů • Řezání silných kovových plátů v loďařství • V kamenolomech - při těžbě • Těžba ropy z mořského dna • Vyvíjené MW systémy COIL pro Airborne Laser – protiraketový systém nesený speciálním Boingem 727- 400 • Výzkum: USA, Německo, Japonsko, Rusko, Jižní Korea, Čína, Indie, v České republice ve Fyzikálním ústavu AV v Praze

22. Obranný laserový mobilní systém 50-70kW

23. Laserové operace oka Klinika oční a estetické chirurgie Zlín: http://www.klinikazlin.czV kapitole „Aplikace – Medicína“ se popisuje použití laseru k operacím.V kapitole „Jak probíhá operace“ je možné si vybrat, která technika laserové oční operace vás zajímá: EPI-LASIK, LASIK, PRN http://cs.wikipedia.org/wiki/OkoV kapitole „Laserová operace na videu“ si lze stáhnout prezentační video.

24. METODA EPI - LASIC Epitel rohovky je odstraněn pomocí mikrokeratomu. Obnoví se během několika dní. Anestetické kapky zajišťují bezbolestnost operace. Během několika sekund laser odstraní tkáň z rohovky. Oko je do kontroly překryto kontaktní čočkou

25. Experimenty s laserovým ukazovátkem 1. Průchod laserového paprsku skleněným hranolem 2. Snímání malých deformací 3. Průchod laserového paprsku zakaleným prostředím 4. Průchod laserového paprsku sklenicí s vodou 5. Úplný odraz na vodní hladině 6. Optický kabel 7. Divergence laseru 8. Určení vlnové délky laseru 9. Hustota optické stopy na CD 10. Optická závora s poplachem. 11. Snímání chvění, signalizace znečištění ovzduší

26. 1. Průchod laserového paprsku skleněným hranolem Pomůcky: laserové ukazovátko, optický hranol s úhly 45°, 45°, 90°. Sviťte na hranol z různých směrů. Přijdete na to, jak je třeba na hranol svítit, aby: a) paprsek, který prošel hranolem byl kolmý na paprsek původní? b) paprsek se vrátil rovnoběžně s paprskem dopadajícím? Jaký fyzikální jev nastává? Nakreslete obě řešení. Víte, kde se změna chodu paprsku využívá?

27. Stavěcí šroub 2. Snímání malých deformací

28. 3. Průchod laserového paprsku zakaleným prostředím

29. 4. Průchod laserového paprsku sklenicí s vodou

30. 5. Úplný odraz na vodní hladině

31. 6. Optický kabel

32. 7. Divergence laseru

33. Maximum 0. řádu Max. 1.ř. Max. 1.ř. 8. Určení vlnové délky laseru

34. 9. Hustota optické stopy na CD Maximum 1. řádu Maximum 0. řádu

35. 10. Optická závora s poplachem. Zastínění paprsku

36. 11. Snímání chvění, signalizace znečištění ovzduší Paprsek baňkou prochází

37. EXKURZE PALS http://www.pals.cas.cz

38. Systém PALS, instalovaný v Praze na Slovance, je jeden z nejvýkonnějších laserů na světě. Pracuje v pulzním režimu. Jeden pulz trvá 400 ps, energie na výstupu je 1 kJ a průměr svazku vystupujícího z posledního zesilovače činí 29 cm. Laser pracuje na vlnové délce 1,315 mm a svazek lze zaostřit na plochu o průměru 0,1 mm. Tyto údaje postačují k vyřešení úloh na konci.

39. Fotodisociace

43. Úlohy k exkurzi na PALS 1. Laser PALS pracuje v pulzním režimu. Pulz je opakovatelný přibližně po půl hodině a vyletí při něm „balík“ mnoha fotonů. Kolik fotonů je v tomto balíku? 2. Vypočtěte hmotnost balíku fotonů. 3. Fotony vyslané při jednom pulzu tvoří válec a průměru stejném jako je průměr čočky posledního zesilovače. Vypočtěte výšku tohoto válce. 4. Vypočtěte zářivý výkon laseru. 5. Svazek lze optikou zaostřit na plochu kruhu o průměru 0,1 mm. Vypočtěte tlak záření v místě dopadu.

44. Řešení úloh 1. 2. 3. 4. Jde o zářivý výkon, protomísto označení P by se spíše hodilo Fe. 5. To je hodnota pro úplné pohlcení paprsku v místě dopadu. Při dopadu na zrcadlo, na kterém by se všechny fotony odrazily, by měl tlak záření dvojnásobnou hodnotu.

46. Test lasery pracovní listy - ukázka Ve skupinách vypracujte odpovědi na jednotlivé otázky. Využijte vyhledávání na internetu. 1. První pracovní látkou pro maser se stal amoniak-čpavek. Nakresli pomocí rámečků - elektronových konfigurací – molekulu NH3 a uveď typ hybridizace pro dusík. Pomocí hybridních orbitalů nakresli molekulu NH3. 2. Najdi pro nějaký typ laseru jeho divergenci. Divergence:…………………………….. Představme si, že tímto laserem osvětlíme Měsíc tak, že na něm vznikne kruh. Vypočtěte obsah tohoto kruhu. Obsah kruhu S = ………………….…….. km2.

47. Řešení úloh • Elektronová konfigurace atomu dusíku , který má 5 valenčních elektronů, je v základním stavu: 7 N: (He) 2s22p3. Excitovat nelze, neexistuje 2d orbital. Hybridizace dusíku v amoniaku je sp3. V těžišti čtyřstěnu je atom dusíku, čtyři sp3 orbitaly míří do vrcholů čtyřstěnu. Na třech těchto orbitalech je polární kovalentní vazbou vázaný vodík na čtvrtém je volný elektronový pár. 2. Divergenci lze nalézt pro různé lasery (dálkoměry) na internetu , průměrné hodnoty jsou asi 0,3 mrad . Osvětlená plocha je asi 10 250 km2.

48. KONEC