Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze
Číslo 15 (vyšlo 15. dubna, ročník 9 (2011)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Past na laserové paprsky – antilaser zvaný CPA

Vítězslav Kříha

Přestavme si, že pozorujeme kontinuální laserLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal C. Townes spolu s A. L. Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval T. H. Maiman v roce 1960. Jako aktivní prostředí posloužily ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu.. (Nedoporučuji provádět ve skutečnosti, pokud se budete dívat do paprsku i zdánlivě málo výkonného laseru, pak toto vaše poslední pozorování v životě nebude mít dlouhého trvání a po následné ztrátě zraku si mnohé budete muset už jen představovat.) V duchu zkoumáme laser, zdroj elektromagnetického záření, jehož fotonyFoton – polní částice elektromagnetické interakce, kvantum energie elektromagnetického záření. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. se šíří stejným směrem, mají stejnou frekvenciFrekvence úhlová – časová změna fáze vlnění. Pro monochromatickou vlnu je rovna 2π/T., fázový posun, ba i polarizaciPolarizace fotonu – rovina kmitů elektrického pole, fotony jako kvanta příčného elektromagnetického vlnění mohou mít dvě nezávislé polarizace. Skutečný stav fotonu je potom lineární kombinací obou polarizačních stavů v dané bázi.. Jelikož si přestavujeme, můžeme se na tyto fotony dívat jako na kopie namnožené na jakési fotonové kopírce. Touto fotonovou kopírkou jsou vhodným způsobem vybuzené molekuly, atomy, radikály či ionty, aktivní místa laseru. Aktivní místa jako celek tvoří aktivní prostředí, kde se světlo nezeslabuje, ale naopak zesiluje. A jak už to bývá, výsad se dostává vyvoleným. Nemnoží se libovolné fotony, zvýhodněny jsou ty, které mají ty správné frekvence. Vlnový vektorVlnový vektor – prostorová změna fáze vlnění. Složky vlnového vektoru získáme jako prostorové derivace fáze vlnění. Pro monochromatickou vlnu je velikost vlnového vektoru rovna 2π/λ. Vlnový vektor míří ve směru pohybu vlnění., který určuje směr šíření, podědí novotvořené fotony po svém vzoru. Rovněž tak fázový posun i polarizaci. Aktivní místa jsou do svého vybuzeného stavu svým způsobem zakleta, setrvávají v něm o mnoho řádů déle, než běžně vybuzené atomy, které během nanosekund samovolně přecházejí do nižšího energetického stavu. Aktivní místa mohou přejít do nižšího stavu jen díky stimulované emisiStimulovaná emise – vynucená emise. Děj, při kterém atom či molekula vybuzené do stavu, ze kterého je spontánní přechod do nižšího stavu zakázán kvantovými pravidly, po interakci s fotonem s energií odpovídající rozdílu energií těchto stavů, emituje další foton se stejnou fází, frekvencí, polarizací i směrem šíření. Stimulovaná emise tvoří podstatu činnosti kvantových zesilovačů fotonů, v mikrovlnné a rádiové oblasti nazývané masery a v kratších vlnových délkách až po gama záření označovaných lasery., interakci s fotonem, jehož frekvence odpovídá právě energii uvolněné přechodem do nižšího energetického stavu. Díky stimulované emisi tak zaniká aktivní místo a vznikají dvě identické kopie fotonů.

Ani mimo aktivní prostředí nenajdeme spravedlnost pro neukázněné fotonyFoton – polní částice elektromagnetické interakce, kvantum energie elektromagnetického záření. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění., nachází se tam totiž polopropustná zrcadla optického rezonátoru, která odrážejí fotony ve velice úzkém frekvenčním pásmu. Navíc je aktivní prostředí obvykle protáhlé ve směru spojnice mezi zrcadly rezonátoru, naopak příčné rozměry bývají řádově menší než vzdálenost mezi zrcadly. Pokud se foton, otec zakladatel s výsadou množit se v aktivním prostředí, vydal správným směrem, leč má nesprávnou frekvenci z hlediska rezonátoru, ani on, ani jeho kopie žádné zrcadlo nevidí a po jediném průchodu aktivním prostředím se vydávají do vnějšího světa. Pokud se jiný foton – otec zakladatel – vydal nesprávným směrem, byť má tu správnou frekvenci, jeho následníci rovněž o výsadu množení přicházejí. Buď se do aktivního prostředí nevrátí, neboť minou zrcadlo rezonátoru, nebo jdou delší cestou a předběhnou je fotony, které nesešly z cesty. Ty se pilně množí a odrážejí od zrcadel a spotřebovávají přitom aktivní místa. Přestože nová aktivní místa průběžně vznikají, je ukázněných fotonů stále více a více, neboť každým zdvojnásobením svého počtu je i dvakrát vyšší pravděpodobnost, že se setkají s aktivním místem ony a ne jiné fotony. Až nakonec stojaté vlnění elektromagnetického pole rezonátoru tvoří jen ty nejúspěšnější fotony, které buď dělají přesně to, co se od nich chce, nebo to alespoň velice úspěšně napodobují. Z polopropustných zrcadel optického rezonátoru vycházejí na obě strany fotony laserové svazku. Slůvko polopropustné je silně nadhodnocené, zrcadla nepropouštějí polovinu dopadajících fotonů, ale nejvýš pár procent. V aktivním prostředí se mezitím stále vytvářejí jejich další a další kopie nahrazující ztráty fotonů, které se vydaly do vnějšího světa.

Ovšem tupě se množící fotony netuší, že vlastně existují jen v naší mysli poznamenané svobodomyslností, jíž se jejich přísné uspořádání příčí. A tak si asi ani nevšimnou, že ve svých úvahách zajdeme ještě dále a otočíme směr plynutí časuT invariance – symetrie vzhledem k obrácení chodu času (T = Time). O symetrii hovoříme, pokud děj půjde „pustit pozpátku“, podobně jako lze pustit pozpátku film. V praxi to znamená obrácení směrů rychlostí všech částic. Dlouho se zdálo, že fyzikální zákony na částicové úrovni splňují T symetrii. (Pozor nejde ale o makroskopické, statistické chování, zde jsou děje vždy nevratné, rozbitý talíř se sám nikdy nespojí). V roce 1999 se ukázalo, že T symetrie v přírodě neplatí.pravou stranu za levouP invariance – symetrie vzhledem k záměně levého a pravého směru. O symetrii hovoříme, pokud by se přístroj vytvořený podle zrcadlového obrazu choval shodně s původním přístrojem. Z této symetrie plyne existence zachovávající se veličiny, kterou nazýváme parita (odsud písmenko P, paritní symetrie). Pokud by symetrie platila, parita by se zachovávala. Narušení levopravé symetrie prokázala čínská fyzička C. S. Wu z Kolumbijské univerzity v roce 1957 v experimentu s rozpadem kobaltu 60.. Fotony letí z obou stran směrem k zrcadlům, které je uvězní bez naděje na únik a původní porodnice vyvolených fotonů se mění na popraviště, které ze dvou fotonů ponechají jen jediný. Namísto exponenciálního nárůstu fotony exponenciálně ubývají a zrcadla je stále znovu a znovu vracejí do smrtonosného prostředí. Ve své mysli jsme právě vytvořili dokonalý koherentní pohlcovač, který si s ohledem na analogii s antičásticemi z pohledu CPT invarianceCPT invariance – kombinovaná symetrie, podle které by měl experiment dopadnout stejně, pokud vyměníme všechny částice za antičástice (C = Charge, nábojová symetrie), levé směry za pravé (P = Parity, levopravá symetrie) a časový sled událostí pustíme pozpátku (T = Time, časová symetrie). získal přezdívku antilaser. Jistě je to užitečná věcička, avšak jak ji udělat ve skutečnosti bez toho, že bychom museli obracet chod času?

Antilaser

Antilaser v uměleckém ztvárnění: Laserové záření dopadá do antilaseru CPACPA – Coherent Perfect Absorber, dokonalý koherentní pohlcovač, antilaser neboli laser s převráceným chodem času je zařízení schopné dokonalé absorpce laserového záření. Laserové záření se v ideálním pohlcovači CPA neodráží zpět a je zcela pohlceno.
a pohlcuje se v něm bez toho, že by z něj vycházelo. Zdroj: Yaleova univerzita.

LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal C. Townes spolu s A. L. Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval T. H. Maiman v roce 1960. Jako aktivní prostředí posloužily ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu.

CPA – Coherent Perfect Absorber, dokonalý koherentní pohlcovač, antilaser neboli laser s převráceným chodem času je zařízení schopné dokonalé absorpce laserového záření. Laserové záření se v ideálním pohlcovači CPA neodráží zpět a je zcela pohlceno.

Odrazivost – reflektivita, součinitel odrazu neboli intenzitní koeficient odrazivosti je vlastnost rozhraní dvou prostředí daná poměrem intenzity odraženého záření k intenzitě záření dopadajícího.

Propustnost – transmisivita, součinitel propustnosti neboli intenzitní koeficient propustnosti je vlastnost rozhraní dvou prostředí daná poměrem intenzity prošlého záření k intenzitě záření dopadajícího.

Pohltivost – absorbance, součinitel absorpce neboli intenzitní koeficient pohltivosti je vlastnost rozhraní dvou prostředí daná poměrem intenzity záření pohlceného za rozhraním k intenzitě záření dopadajícího.

Rovina dopadu – rovina, ve které leží normála k rozhraní dvou prostředí a dopadající paprsek.

Rovina lomu – rovina, ve které leží normála k rozhraní a procházející paprsek.

Amplitudový koeficient odrazivosti – vlastnost rozhraní dvou prostředí daná poměrem intenzity elektrického pole odraženého záření k intenzitě elektrického pole dopadajícího záření.

Amplitudový koeficient propustnosti – vlastnost rozhraní dvou prostředí daná poměrem intenzity elektrického pole prošlého záření k intenzitě elektrického pole dopadajícího záření.

Index lomuabsolutní index lomu je v homogenním izotropním prostředí bez disperze definován jako podíl rychlosti světla a fázové rychlosti. Obecně je index lomu komplexní veličina závislá na frekvenci, v případě anizotropního prostředí tenzorová. Frekvenční závislost reálné části popisuje disperzi v daném prostředí. Imaginární část indexu lomu popisuje (v závislosti na znaménku) absorpci nebo zesílení světla. Relativní index lomu je dán poměrem indexů lomu prostředí, do kterého záření vstupuje vůči indexu lomu prostředí, z něhož záření vychází. Na rozhraní dvou prostředí je relativní index lomu roven podílu sinu úhlu dopadu a sinu úhlu lomu (Snellův zákon). Uvozující přídavné jméno (absolutní nebo relativní) se často vypouští, takže zda se jedná o absolutní či relativní index lomu poznáme pouze z kontextu.

Brewsterův úhel – úhel dopadu elektromagnetického záření, při kterém se od rozhraní dvou prostředí neodráží záření polarizované v rovině dopadu.

Absorpční koeficient pohlcení – přirozený logaritmus podílu intenzity záření prošlého vrstvou pohltivého materiálu jednotkové tloušťky a intenzity dopadajícího záření.

Dvojbran – čtyřpól, je model reálných soustav se dvěma vstupními póly a dvěma výstupními póly. Vztahy mezi jednotlivými póly vyjadřují matice 2×2, které popisují vnitřní uspořádání dvojbranu. V teorii elektrických obvodů jsou póly elektrické svorky, v optice jsou póly vstupní a výstupní paprsky.

Matice rozptylu – S matice, popis interakce záření s objektem. Vyjadřuje vztah mezi dopadajícím zářením a zářením vycházejícím z objektu (odražené a prošlé).

Matice přenosu – T matice, popis interakce záření s objektem. Vyjadřuje vztahy mezi zářením šířícím se v daném směru k objektu a zářením šířícího se v témže směru od objektu. Matici přenosu je možné vyjádřit pomocí prvků matice rozptylu a naopak. Maticový zápis umožňuje popis šíření elektromagnetických vln v členitém prostředí vyjádřit jako součin matic přenosu jednotlivých částí popisovaného prostředí.

Fresnelovy vzorce – vztahy popisující koeficienty odrazivosti a propustnosti při šíření elektromagnetického záření na rozhraní dvou prostředí. Vycházejí z okrajových podmínek na rozhraní dvou prostředí a ukazují závislost odrazu a lomu na polarizaci záření.

Budiž tma… když už je světlo

Co s laserovýmLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal C. Townes spolu s A. L. Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval T. H. Maiman v roce 1960. Jako aktivní prostředí posloužily ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. paprskem, když už ho nepotřebujeme? Odpověď je na první pohled jednoduchá: Necháme ho pohltit. Ale pohltíme vskutku všechno? První problém nám přináší už rozhraní nepohltivého a pohltivého prostředí. Na rozhraní dvou prostředí totiž může docházet k odrazu vlny. Přesněji nám situaci popisují Fresnelovy vzorceFresnelovy vzorce – vztahy popisující koeficienty odrazivosti a propustnosti při šíření elektromagnetického záření na rozhraní dvou prostředí. Vycházejí z okrajových podmínek na rozhraní dvou prostředí a ukazují závislost odrazu a lomu na polarizaci záření. pomocí amplitudového součinitele odrazivostiAmplitudový koeficient odrazivosti – vlastnost rozhraní dvou prostředí daná poměrem intenzity elektrického pole odraženého záření k intenzitě elektrického pole dopadajícího záření. rpropustnostiAmplitudový koeficient propustnosti – vlastnost rozhraní dvou prostředí daná poměrem intenzity elektrického pole prošlého záření k intenzitě elektrického pole dopadajícího záření. t pro vlnu kmitající kolmo k rovině dopadu a pro vlnu kmitající v rovině dopadu pomocí amplitudového koeficientu odrazivosti r|| a propustnosti t|| (n1 a n2 jsou indexy lomuIndex lomuabsolutní index lomu je v homogenním izotropním prostředí bez disperze definován jako podíl rychlosti světla a fázové rychlosti. Obecně je index lomu komplexní veličina závislá na frekvenci, v případě anizotropního prostředí tenzorová. Frekvenční závislost reálné části popisuje disperzi v daném prostředí. Imaginární část indexu lomu popisuje (v závislosti na znaménku) absorpci nebo zesílení světla. Relativní index lomu je dán poměrem indexů lomu prostředí, do kterého záření vstupuje vůči indexu lomu prostředí, z něhož záření vychází. Na rozhraní dvou prostředí je relativní index lomu roven podílu sinu úhlu dopadu a sinu úhlu lomu (Snellův zákon). Uvozující přídavné jméno (absolutní nebo relativní) se často vypouští, takže zda se jedná o absolutní či relativní index lomu poznáme pouze z kontextu. v obou prostředích, α je úhel dopadu, β je úhel lomu):

Rovnice 1

Lom

Schéma odrazu a lomu na rozhraní dvou dielektrik.

Polohy vektorů

Orientace vektorů intenzity elektrického pole, které určují
polarizaci elektromagnetických vlnPolarizace světla – jde o vlastnost, pomocí níž popisujeme určitou chaotičnost světla. Elektromagnetické záření je příčným vlněním, které lze ve vakuu popsat kmity vektorů E a B kolmých na sebe a na směr šíření vlny. U nepolarizované vlny opisují koncové body obou vektorů chaotické křivky. U polarizovaného světla je naproti tomu průmět obou vektorů do roviny kolmé na směr šíření vlny přesně definován. Podle tohoto průmětu pak rozlišujeme polarizaci rovinnou, kruhovou, a eliptickou. Polarizaci posuzujeme dohodou podle směru elektrického vektoru. Při kruhové polarizaci opisuje konec elektrického vektoru v prostoru kružnici. Příkladem polarizovaného záření je například záření odražené od rovinného zrcadla. při rozboru odrazu a lomu.

Podívejme se na případ kolmého dopadu (α = 0; β = 0) z hlediska odraženého výkonu, (výkon je úměrný čtverci amplitudy dopadajícího záření) vyjádřeného odrazivostíOdrazivost – reflektivita, součinitel odrazu neboli intenzitní koeficient odrazivosti je vlastnost rozhraní dvou prostředí daná poměrem intenzity odraženého záření k intenzitě záření dopadajícího. R

Rovnice 2

kde n = n1/n2 je relativní index lomu. Fresnelovy vzorce v klasické podobě uvažují rozhraní dvou ideálních dielektrik. Vzhledem k tomu, že naším cílem je elektromagnetické pole pohlcovat, zkusme předpokládat, že prostředí, do kterého dopadá laserové záření, je do jisté míry vodivé. Index lomu je v tom případě komplexní veličina a v případě kolmého dopadu je odrazivostOdrazivost – reflektivita, součinitel odrazu neboli intenzitní koeficient odrazivosti je vlastnost rozhraní dvou prostředí daná poměrem intenzity odraženého záření k intenzitě záření dopadajícího. rovna

Rovnice 3

kde n* je komplexně sdruženou veličinou k indexu lomu. Imaginární část indexu lomu popisuje absorpci elektromagnetické vlny. Vzorec odráží známou skutečnost: vodivé materiály dobře odrážejí světlo. V případě, kdy má imaginární část indexu lomu opačné znaménko, než odpovídá pohlcení, pak se vlna v prostředí zesiluje, například v aktivním prostředí laseru.

Fresnelovy vzorce umožňují nulovou odrazivostOdrazivost – reflektivita, součinitel odrazu neboli intenzitní koeficient odrazivosti je vlastnost rozhraní dvou prostředí daná poměrem intenzity odraženého záření k intenzitě záření dopadajícího. při dopadu polarizovaného záření pod Brewsterovým úhlemBrewsterův úhel – úhel dopadu elektromagnetického záření, při kterém se od rozhraní dvou prostředí neodráží záření polarizované v rovině dopadu. na rozhraní dvou dielektrik. V případě, kdy je index lomu ve vodivém prostředí komplexní veličinou, nezávisí čitatel výrazu pouze na úhlu dopadu, ale také na měrné vodivosti a frekvenci.

Můžeme na to jít trochu jinak – co kdybychom nechali laserový paprsek dopadat do stejného prostředí, v jakém vznikal, které je propustné, ale obsahuje částice, které jsou schopny pohlcovat fotony přesně dané vlnové délky. Nepomůžeme si, protože vybuzené atomy nám vyzáří fotony v lepším případě díky spontánní emisi nebo v horším případě díky stimulované emisiStimulovaná emise – vynucená emise. Děj, při kterém atom či molekula vybuzené do stavu, ze kterého je spontánní přechod do nižšího stavu zakázán kvantovými pravidly, po interakci s fotonem s energií odpovídající rozdílu energií těchto stavů, emituje další foton se stejnou fází, frekvencí, polarizací i směrem šíření. Stimulovaná emise tvoří podstatu činnosti kvantových zesilovačů fotonů, v mikrovlnné a rádiové oblasti nazývané masery a v kratších vlnových délkách až po gama záření označovaných lasery., které nakonec bude zesilovat záření, které mělo být pohlceno. Vytvořme laser, který je buzený jiným laserem.

Také nás může napadnout absolutně černé těleso. Poměrně dobrým přiblížením absolutně černého tělesa pro záření v optické oblasti je plazmaPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází alespoň malé množství elektricky nabitých částic, které jsou v celém objemu elektricky neutrální a jsou schopny reagovat na elektrická a magnetická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektrického obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. o teplotě povrchu SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×106 km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×106 km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×106 K a zářivým výkonem 3,846×1026 W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium.. To však svítí stejně, jako povrch Slunce. Tak si ještě vzpomeneme na zorničku oka, která je černočerná a necháme paprsek mnohonásobně odrážet uvnitř nějaké dutiny. Ani to nemůže, když v noci lidem či zvířatům svítí oči, jedná se o odražené světlo. Zorničky se zdají černé asi stejně jako okna domů za slunného dne, přesto z nich světlo vychází. (Což velice dobře znají všichni, kteří někdy fotografovali s bleskem.)

Před naší, za naší…

Pojďme na to trochu jinak. Nejprve si provedeme bilanci světla, které dopadá na nějaké těleso. Výkon dopadajícího záření, vyjádřený intenzitou, si můžeme rozdělit do tří částí: na světlo, které se pohltilo, světlo, které prošlo a světlo které se odrazilo.

Eneergetická bilance

Energetická bilance interakce elektromagnetického záření s hmotou,
zavedení propustnostiPropustnost – transmisivita, součinitel propustnosti neboli intenzitní koeficient propustnosti je vlastnost rozhraní dvou prostředí daná poměrem intenzity prošlého záření k intenzitě záření dopadajícího., pohltivostPohltivost – absorbance, součinitel absorpce neboli intenzitní koeficient pohltivosti je vlastnost rozhraní dvou prostředí daná poměrem intenzity záření pohlceného za rozhraním k intenzitě záření dopadajícího.odrazivostiOdrazivost – reflektivita, součinitel odrazu neboli intenzitní koeficient odrazivosti je vlastnost rozhraní dvou prostředí daná poměrem intenzity odraženého záření k intenzitě záření dopadajícího. vzhledem ke konkrétnímu vzorku.

Jelikož propustnost, pohltivost a odrazivost nejsou nezávislé, stačí se omezit pouze na světlo, které ze vzorku vychází a světlo, které do vzorku dopadá. Takto postavená úloha však není symetrická: světlo vychází z obou stran vzorku, ale dopadá pouze z jedné. Nechme tedy světlo dopadat z obou stran. Označme si dopadající světlo písmenem a, vycházející světlo (prošlé z protilehlé strany a odražené od stejnolehlé strany) písmenem b a samotné strany indexy 1 a 2.

Optický dvojbran

Optický dvojbranDvojbran – čtyřpól, je model reálných soustav se dvěma vstupními póly a dvěma výstupními póly. Vztahy mezi jednotlivými póly vyjadřují matice 2×2, které popisují vnitřní uspořádání dvojbranu. V teorii elektrických obvodů jsou póly elektrické svorky, v optice jsou póly vstupní a výstupní paprsky..

Výstupní veličiny dvojbranu lze zapsat pomocí vstupních pomocí rovnic:

Rovnice 4

V kompaktnější podobě můžeme tuto dvojici rovnic zapsat pomocí matice rozptyluMatice rozptylu – S matice, popis interakce záření s objektem. Vyjadřuje vztah mezi dopadajícím zářením a zářením vycházejícím z objektu (odražené a prošlé).

Rovnice 5

jako

Rovnice 6.

Podmínky dokonalé absorpce se dají zapsat pomocí absence odrazů s použitím prvků matice rozptyluMatice rozptylu – S matice, popis interakce záření s objektem. Vyjadřuje vztah mezi dopadajícím zářením a zářením vycházejícím z objektu (odražené a prošlé). S11 = 0, S22 = 0. Popis vztahů mezi póly dvojbranuDvojbran – čtyřpól, je model reálných soustav se dvěma vstupními póly a dvěma výstupními póly. Vztahy mezi jednotlivými póly vyjadřují matice 2×2, které popisují vnitřní uspořádání dvojbranu. V teorii elektrických obvodů jsou póly elektrické svorky, v optice jsou póly vstupní a výstupní paprsky. pomocí matice rozptyluMatice rozptylu – S matice, popis interakce záření s objektem. Vyjadřuje vztah mezi dopadajícím zářením a zářením vycházejícím z objektu (odražené a prošlé). odpovídá přirozené logice: zadáváme, co nám dopadá na optický prvek, a nacházíme, co z optického prvku vychází. Dvojbrany však mohou být popsány vztahy mezi libovolnými dvěma dvojicemi pólů. Všechny odpovídající transformační matice je možné vypočítat pomocí prvků jediné známé matice, například rozptylové. Z praktického hlediska je velice často používána přenosová matice popisující vztah mezi póly jedné brány vůči bráně druhé

Rovnice 7

Vyjádření pomocí matice přenosuMatice přenosu – T matice, popis interakce záření s objektem. Vyjadřuje vztahy mezi zářením šířícím se v daném směru k objektu a zářením šířícího se v témže směru od objektu. Matici přenosu je možné vyjádřit pomocí prvků matice rozptylu a naopak. Maticový zápis umožňuje popis šíření elektromagnetických vln v členitém prostředí vyjádřit jako součin matic přenosu jednotlivých částí popisovaného prostředí. umožňuje zřetězení, protože výstupní pól jsou vstupními póly následujícího optického prvku. Chování složitější soustavy pak lze spočítat jako součiny přenosových matic. Podmínka dokonalé absorpce se týká pouze jediného prvku T11 = 0.

Dokonalé koherentní pohlcovače

Při tvorbě reálného antilaseru CPACPA – Coherent Perfect Absorber, dokonalý koherentní pohlcovač, antilaser neboli laser s převráceným chodem času je zařízení schopné dokonalé absorpce laserového záření. Laserové záření se v ideálním pohlcovači CPA neodráží zpět a je zcela pohlceno. se snažíme vytvořit prvek, jehož matice rozptyluMatice rozptylu – S matice, popis interakce záření s objektem. Vyjadřuje vztah mezi dopadajícím zářením a zářením vycházejícím z objektu (odražené a prošlé). nebo přenosuMatice přenosu – T matice, popis interakce záření s objektem. Vyjadřuje vztahy mezi zářením šířícím se v daném směru k objektu a zářením šířícího se v témže směru od objektu. Matici přenosu je možné vyjádřit pomocí prvků matice rozptylu a naopak. Maticový zápis umožňuje popis šíření elektromagnetických vln v členitém prostředí vyjádřit jako součin matic přenosu jednotlivých částí popisovaného prostředí. splňuje při dopadu laserových paprsků podmínku dokonalé absorpce. Symetrické ozáření je důležité, neboť se při konstrukci antilaseru CPA snažíme obrátit funkci laseru v čase.

Animace

Princip činnosti antilaseru CPACPA – Coherent Perfect Absorber, dokonalý koherentní pohlcovač, antilaser neboli laser s převráceným chodem času je zařízení schopné dokonalé absorpce laserového záření. Laserové záření se v ideálním pohlcovači CPA neodráží zpět a je zcela pohlceno.. Dva paprsky o stejné intenzitě dopadají na opačné strany desky obsahující mírně absorpční prostředí (šedý rámeček). Celkové elektrické pole je zobrazeno modře, a jeho složky odchozích paprsků v červené barvě. Pokud si správně vybereme fázový posun vstupujících paprsků (horní část), deska absorbuje světlo úplně. V dolní části je zobrazena situace, kdy vzájemné fáze nejsou sladěny a záření z destičky vychází. Zdroj:Yaleova univerzita.

Zapíšeme-li například matice přenosuMatice přenosu – T matice, popis interakce záření s objektem. Vyjadřuje vztahy mezi zářením šířícím se v daném směru k objektu a zářením šířícího se v témže směru od objektu. Matici přenosu je možné vyjádřit pomocí prvků matice rozptylu a naopak. Maticový zápis umožňuje popis šíření elektromagnetických vln v členitém prostředí vyjádřit jako součin matic přenosu jednotlivých částí popisovaného prostředí. pomocí amplitudových koeficientů odrazivosti a propustnosti

Rovnice 8

pak dokonalá absorpce znamená, že požadujeme t2 = r2. Vzhledem k tomu, že předpokládáme pohlcení energie elektromagnetického záření uvnitř antilaseru CPA, budou koeficienty tr komplexní veličiny.

Jako vhodný materiál na vytvoření antilaseru CPACPA – Coherent Perfect Absorber, dokonalý koherentní pohlcovač, antilaser neboli laser s převráceným chodem času je zařízení schopné dokonalé absorpce laserového záření. Laserové záření se v ideálním pohlcovači CPA neodráží zpět a je zcela pohlceno. byl vybrán křemíkKřemík – polokovový prvek, hojně se vyskytující v zemské kůře. Slouží jako základní materiál pro výrobu polovodičových součástek nebo položek pro pěstování nanostruktur. Oxid křemičitý je základní surovina pro výrobu skla a významná součást keramických a stavebních materiálů. Objev křemíku je připisován švédskému chemikovi J. Jacobu Berzeliovi (1824)., seznamme se s jeho optickými vlastnostmi:

49

50

OdrazivostOdrazivost – reflektivita, součinitel odrazu neboli intenzitní koeficient odrazivosti je vlastnost rozhraní dvou prostředí daná poměrem intenzity odraženého záření k intenzitě záření dopadajícího. propustnostPropustnost – transmisivita, součinitel propustnosti neboli intenzitní koeficient propustnosti je vlastnost rozhraní dvou prostředí daná poměrem intenzity prošlého záření k intenzitě záření dopadajícího. a pohltivostPohltivost – absorbance, součinitel absorpce neboli intenzitní koeficient pohltivosti je vlastnost rozhraní dvou prostředí daná poměrem intenzity záření pohlceného za rozhraním k intenzitě záření dopadajícího. 0,6 mm tlusté destičky křemíku. První obrázek má
lineární stupnici, druhý logaritmickou. Zdroj: Virginia Semiconductor, Inc.

51

Závislost indexu lomuIndex lomuabsolutní index lomu je v homogenním izotropním prostředí bez disperze definován jako podíl rychlosti světla a fázové rychlosti. Obecně je index lomu komplexní veličina závislá na frekvenci, v případě anizotropního prostředí tenzorová. Frekvenční závislost reálné části popisuje disperzi v daném prostředí. Imaginární část indexu lomu popisuje (v závislosti na znaménku) absorpci nebo zesílení světla. Relativní index lomu je dán poměrem indexů lomu prostředí, do kterého záření vstupuje vůči indexu lomu prostředí, z něhož záření vychází. Na rozhraní dvou prostředí je relativní index lomu roven podílu sinu úhlu dopadu a sinu úhlu lomu (Snellův zákon). Uvozující přídavné jméno (absolutní nebo relativní) se často vypouští, takže zda se jedná o absolutní či relativní index lomu poznáme pouze z kontextu. na vlnové délce. Zdroj: Virginia Semiconductor, Inc.

52

Komplexní index lomu je určen především relativní permitivitou.
Zdroj: Virginia Semiconductor, Inc.

53

Závislost absorpčního koeficientuAbsorpční koeficient pohlcení – přirozený logaritmus podílu intenzity záření prošlého vrstvou pohltivého materiálu jednotkové tloušťky a intenzity dopadajícího záření. na vlnové délce. Zdroj: Virginia Semiconductor, Inc.

KřemíkKřemík – polokovový prvek, hojně se vyskytující v zemské kůře. Slouží jako základní materiál pro výrobu polovodičových součástek nebo položek pro pěstování nanostruktur. Oxid křemičitý je základní surovina pro výrobu skla a významná součást keramických a stavebních materiálů. Objev křemíku je připisován švédskému chemikovi J. Jacobu Berzeliovi (1824). v oblasti kolem jednoho mikrometru je slabě pohltivý, právě v této oblasti vlnových délek je vhodným materiálem pro vytvoření antilaseru CPACPA – Coherent Perfect Absorber, dokonalý koherentní pohlcovač, antilaser neboli laser s převráceným chodem času je zařízení schopné dokonalé absorpce laserového záření. Laserové záření se v ideálním pohlcovači CPA neodráží zpět a je zcela pohlceno.. Podobně jako k zesílení laserového paprsku dochází po mnohonásobném průchodu aktivním prostředím, i u antilaseru CPA nastává pohlcení až po mnohonásobném průchodu paprsku.

Schéma

Schéma antilaseru CPACPA – Coherent Perfect Absorber, dokonalý koherentní pohlcovač, antilaser neboli laser s převráceným chodem času je zařízení schopné dokonalé absorpce laserového záření. Laserové záření se v ideálním pohlcovači CPA neodráží zpět a je zcela pohlceno.. Paprsek z laditelného kontinuálního Ti: safírového laseru (800 až 1000 nm), je rozdělen na dva paprsky, v jedné cestě se pomocí zeslabovacího prvku a řízení fáze nastavuje stejná amplituda a potřebný fázový posun. Paprsky dopadají na opačné strany křemíkové desky o tloušťce cca 110 mikrometrů. Oddělení paprsků po obou stranách antilaseru CPA se provádí s cílem detekce odražených paprsků ve spektrometru. Zdroj: Science 331 (2011) 889.

Schéma

Tok energie v antilaseru CPACPA – Coherent Perfect Absorber, dokonalý koherentní pohlcovač, antilaser neboli laser s převráceným chodem času je zařízení schopné dokonalé absorpce laserového záření. Laserové záření se v ideálním pohlcovači CPA neodráží zpět a je zcela pohlceno.. Energie je dodávána do systému (modré šipky), a tam se vše vstřebává. Důležité je, že vstupní záření musí být „koherentní“ – jeho fáze musí mít určitou hodnotu. Energie je transformována z koherentního záření do jiné formy, obvykle na teplo nebo elektrický proud (červená šipka), což je přesně opačný postup, než v případě laseru. Zdroj: Yaleova univerzita.

Simulace

Numerická simulace pohlcení světla v CPACPA – Coherent Perfect Absorber, dokonalý koherentní pohlcovač, antilaser neboli laser s převráceným chodem času je zařízení schopné dokonalé absorpce laserového záření. Laserové záření se v ideálním pohlcovači CPA neodráží zpět a je zcela pohlceno.. V červenomodré škále je kódována hodnota intenzity elektrického pole, použité bylo světlo o vlnové délce 736,92 nm dopadající na 10 mikronů tlustou křemíkovou desku. (Nižší propustnost křemíku pro tyto vlnové délky je kompenzována velice malou tloušťkou.) Frekvence a fázový posun jsou vybrané tak, aby odpovídaly režimu antilaseru CPA. Zdroj: Yaleova univerzita.

Závěr

Ačkoli si populární články posteskly, že tento objev nedojde vojenského využití, neboť pro antilaser je k pohlcení třeba znát vlnovou délku útočníkova laseru, není se třeba obávat, že by si lidstvo nechalo ujít příležitost zneužít tento objev k poškozování svých bližních. Výpočetní výkon a informace mnohdy zmohou více než hrubá síla a z hlediska využití ve výpočetní technice je antilaser CPACPA – Coherent Perfect Absorber, dokonalý koherentní pohlcovač, antilaser neboli laser s převráceným chodem času je zařízení schopné dokonalé absorpce laserového záření. Laserové záření se v ideálním pohlcovači CPA neodráží zpět a je zcela pohlceno. přinejmenším zajímavý. Jelikož lasery mohou být buzeny elektrickým proudem, je jen otázkou času, kdy se v CPA podaří absorbovat světlo za vzniku použitelného elektrického signálu.

Již nyní je možné světlo pomocí CPACPA – Coherent Perfect Absorber, dokonalý koherentní pohlcovač, antilaser neboli laser s převráceným chodem času je zařízení schopné dokonalé absorpce laserového záření. Laserové záření se v ideálním pohlcovači CPA neodráží zpět a je zcela pohlceno. modulovat. Jelikož i lidské tkáně mají coby iontové vodiče komplexní index lomu, uvažuje se i o zobrazovacích metodách, které by umožňovaly využít CPA k zobrazení hlubších struktur v živém organismu. Lasery se v posledním desetiletí začlenily do tolika zařízení, že je obtížné najít domácnost, kde nějaký laser není. Uvidíme, jak se bude dařit jejich protějškům.

Hloubka modulace

A) Hloubka modulace je dána poměrem maximální a minimální odražené intenzity díky změně fázového posunu v závislosti na vlnové délce. B) Závislost na vlnové délce poměru těchto maximálních a minimálních hodnot vůči hodnotě 2(R+T), modrá teoretická křivka a vzpřímené trojúhelníky experimentálních dat odpovídají fázovému posunu vedoucímu ke snížení absorpce, zatímco červená křivka a obrácené trojúhelníky odpovídají zvýšené absorpci. Zdroj: Science 331 (2011) 890.

Odkazy

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage