Laseri u astrofizici (adaptivna optika)

1. Laseri u astrofizici (adaptivna optika) Tomislav Jurkić Odsjek za fiziku Sveučilište u Rijeci

2. Laseri u astrofizici? Što? Gdje? Zašto? • Primjena lasera u astrofizici • Adaptivna optika • Vrste lasera i metoda u AO • Astronomsko rudarenje ??

3. Primjena lasera u astrofizici • Adaptivna optika (AO) • Laboratorijska simulacija astrofizičkih uvjeta i objekata, posebno stanja i procesa na prašini • Astronomska optika

4. Adaptivna optika - princip Valna fronta s udaljene zvijezde biva distorzirana uslijed lokalnih promjena gustoće i optičkih svojstava atmosfere AO korigira deformiranu valnu frontu koristeći nekoliko ‘trikova’ Uz pomoć deformirajučih zrcala dobiva se korigirana ravna valna fronta

5. Adaptivna optika • Kako ispraviti valnu frontu? • Metode: • Usporedna zvijezda • Laserski stvorena umjetna zvijezda • Rayleighovo rapršenje laserskog snopa Dobiveni signal prirodne ili umjetne zvijezde prilagođuje se idealnoj PSF krivulji, i u skladu s analizom deformira glavno zrcalo

6. Adaptivna optika Mt. Palomar

7. Metoda Rayleighovog raspršenja Rayleighovo (elastično) raspršenje laserskog snopa na česticama aerosola i molekulama atmosfere Uključuje analizu i raspršenja i apsorpcije Rayleighov udarni presjek ~ -4 => kraće valne duljine su bolje UV i optički laseri Efikasno do visina od 10-15 km (ground-layer laser AO - GLAO) Koriste ga opservatorije na Mauna Kei, Mt. Wilson, SOR...

8. Metoda Rayleighovog raspršenja • Vrste lasera: • Nd:YAG laseri dvostruko niže frekvencije • Excimer laseri • Pouzdani, ne pretjerano skupi laseri • Nd:YAG laser • Neodimij dopiran itrij-aluminij granatom • Frekvencija 1064 nm • Nelinearni kristali => 355/532 nm • Efikasni

9. Upotrebljava kombinaciju inertnog plemenitog plina i plina reaktivnih elemenata (fluor, klor) U osnovnom stanju inertni i reaktivni plin ne reagiraju U pobuđenom stanju inertni i reaktivni plin reagiraju i tvore dimer – pseudo-molekula Raspadom dimera emitira se UV foton Metoda Rayleighovog raspršenja Excimer laser Ultraljubičasti kemijski laser EXCIMER – excited dimmer Pobuda => električna Manje efikasni od Nd:YAG lasera

10. Rayleighov AO – Starfire Optical Range Albuquerque, New Mexico, SAD 5 kHz, 50 ns duljina trajanja pulsa 75 W snage Visina: 10 km Povečanje vrha PSF-a: 9 puta Vlasnik: US Army

11. 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 gustih atmosferskih slojeva Laserski inducirana emisija natrija u mezosferi stvara ‘umjetnu’ zvijezdu => promatra se distorzija valne fronte tako stvorene zvijezde na putu kroz atmosferu Problem : 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

12. LSG laseri na Na liniji 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) Prvi Na laser => Lawrence Livermore National Laboratory (Avicola et al., 1994)

13. Laseri s organskim bojama Velika širina frekvencija Laser se pumpa između osnovnog S0 i prvog pobuđenog nivoa S1 Zbog široke apsorpcijske vrpce, fluorescencija na rasponu valnih duljina Organske boje: Rodamin 6G Fluorescin Kumarin Stilben Tetracen Malahit zeleno

14. Laseri s organskim bojama Efikasnost: dobra, no problem s pumpanjem Keck obs. • Vrste lasera s organskim bojama: • Single-frequency CW (VLT) (prednost – ne saturira Na sloj) • Pulsni laseri (Lick, Keck) (prednost: može doseći veću snagu)

15. Pulsni dye laser (Lick obs.)

16. 6 YAG lasera preko optičkih vlakana pumpaju oscilator, predpojačalo i pojačalo => 15-20 W laser V9.5 mag LGS Pulsni dye laser (Keck obs.)

17. Pulsni dye laser (Keck obs.)

18. Čvrsti 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

19. Prvi puta demonstriran 1991. g. (Jeys et al. – Lincoln Labs) Srednja snaga 8-10 W Dužina pulsa 150 s 2.3 kW potrošnja energije 1000 sati rada bez kvara Čvrsti laser sume frekvencija 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 laser Trajanje pulsa 510 ps, 20 W snage

20. Slijedeća 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)

21. Rezultati adaptivne optike Lick (LGS – dye laser) Mt. Palomar Subaru (LGS)

22. Zahvaljujem se na pažnji! Tomislav Jurkić tjurkic@ffri.hr Odsjek za fiziku Filozofski fakultet Rijeka

23. Spektralna energetska distribucija (SED) cirkumstelarne okoline Vinković & Jurkić, ApJ, 2007

24. Astronomske “rude” • Pirokseni • (silikati – MgxFe1-xSiO3): • olivin • forsterit • SiC • C • Oksidi • PAH-ovi • Voda • Kristali • Amorfne tvorevine (stakla)