LASERquantumoptics.roma1.infn.it/Mataloni/files/Laseresueapplicazioni.pdf · LASER e la...
Transcript of LASERquantumoptics.roma1.infn.it/Mataloni/files/Laseresueapplicazioni.pdf · LASER e la...
LASER
Light Amplification by
Stimulated
Emission of Radiation Amplificazione della luce per emissione
stimolata di radiazione
Qual’è la differenza fra la luce normale e la luce LASER ?
• La monocromaticità e la lunghezza d’ondaLa lunghezza d’onda specifica il colore della luce emessa dal LASER e la monocromaticità specifica la “purezza” del colore.
La luce bianca, come la luce emessa dal Sole o da una lampadina, è composta datutti i colori.
400 nm < � < 800 nm LASER
Un LASER emette solo in una regione estremamente piccola dello spettro.
632,80nm < � < 632,81nm
Qual’è la differenza fra la luce normale e la luce LASER ?
• La divergenza Normali sorgenti di luce emettono onde in tutte le direzione. Diversamente il LASER emette radiazione solamente in una direzione ben definita.
LASER
Qual’è la differenza fra la luce normale e la luce LASER ?
• L’intensità indica quanta luce è presente al secondo.
In un LASER tutta la potenza emessa è raccolta su una regione di spazio molto piccola
• LASER in regime continuo
• regime impulsato
LASER
LASER
Schema di un LASER
• I) Mezzo attivo: mezzo (gas, cristallo,
liquido) che emette la luce
• II) Sistema di pompaggio: fornisce energia
al mezzo attivo
• III) Cavità ottica: trappola per la luce
Atomo: livelli energetici
• Atomo: livelli energetici quantizzati
Energia E1
Livello fondamentale, a riposo
Atomo: livelli energetici
• Atomo: livelli energetici quantizzati
Energia E2
Energia E1
E2 > E1
Livello fondamentale, a riposo
Livello eccitato
Interazione fra atomo e radiazione: assorbimento
• Atomo nel livello energetico E1
E2
E1
Fotone di
energia E2 – E1
Emissione spontanea
• Sfruttata in tutte le sorgenti quali lampadine, LED,
televisore, fuoco
Mezzo viene eccitato elettronicamente (televisore)
o termicamente (fuoco)• Isotropica (luce emessa in tutte le direzioni)• Larghezza di riga (spettro di lunghezza d’onda)
lampadina emette onde di tutte le lunghezze d’onda
E2
E1
Emissione stimolata per amplificare la luce
Amplificazione dovuta all’emissione stimolata alla base del funzionamento del LASER
Come si portano gli atomi dal livello energetico E1 al livello E2
Sistema di pompaggio: fornisce energia al mezzo attivo
• Eccitazione elettronica (corrente, scariche elettriche)
• Pompaggio ottico (lampade molto intense)
Mezzo con inversione di popolazione
Mezzo con inversione di popolazione: il Rubino
Pompaggio ottico
E2
E1
Livello fondamentale
Livello eccitato
Primo LASER: 1960
Università di Malibu, CaliforniaProf. Maiman (1960)
Emissione spontanea
Emissione stimolata
Premi Nobel per il LASER
Premio Nobel per la Fisica del 1964 :Nikolai Gennadievich Basov (Russia)
Alexander Mikhailovich Prokhorov (Russia)
“ per la ricerca di base nel campo della fisica sperimentale,
che ha portato alla scoperta del maser e del laser“
Charles Hard Townes (USA)
“per il lavoro fondamentale nel campo dell’elettronica quantistica, che ha portato alla
costruzione di oscillatori ed amplificatori basati sul principio del maser-laser"
Premio Nobel per la Fisica del 1981:Nicolaas Bloembergen (USA)
Arthur L. Schawlow (USA)
“per il loro contributo alla sviluppo della spettroscopia laser"
LASER a gas
Gas Potenza di picco
Lunghezza d’onda
Utilizzo
He-Ne 1 mW 633 nm Scanner del supermercato
Argon 10 W 488 nm Effetti speciali discotecheUtilizzo Medicale
CO2 200 W5 mW
10.6 � m10.6 � m
Taglio ed incisioneTrattamento della pelle
Litografie MedicinaLASER a CO2
Potenza superiore a 200 WTagli ed incisioni di materiali
Sono molti i vantaggi del bisturi-
LASER, un vero e proprio bisturi di
luce, in grado di tagliare e nello stesso
tempo di coagulare i vasi sanguigni.
LASER a semiconduttori
Specchi
Mezzo attivo Emissione
luce
Materiale Potenza di picco Lunghezza d’onda Utilizzo
GaAs 5 mW 840 nm Lettori CD
AlGaAs 50 W 760 nm Stampanti
GaInAsP 10 mW 1.3 � m Communicazioni in fibra ottica
Fibra ottica
capello umano≈ 70 � m
Invenzione: inizio anni ’70Luce intrappolata all’interno del “cuore” dellaFibra (core) della dimensioni di alcuni � m
CD-ROMCompact Disc - Read Only Memory
-Informazione codificata con i bits, che assumono i
valori 0 o 1.
-Incisioni di dimensioni di alcuni � m su un supporto
-Lettura delle incisioni mediante LASER
Monitoraggio ambientale:LIDAR
LIght Detection And Ranging
I) Un fascio LASER è spedito nell’atmosfera
I) Si rivela la porzionedi fascio riflesso
ApplicazioniI) Studio ambientale, inquinamento,
ozonoI) Analisi meteorologicheII) Ricostruzioni topografiche
Il LASER: Il LASER: strumento fondamentale strumento fondamentale
per lo studio dei fenomeni per lo studio dei fenomeni quantisticiquantistici
Superficie del sole 6000 K
Ebollizione dell’acqua 373.15 K
Temperatura ambiente 295 K circa
Congelamento dell’acqua 273.15 K
Liquefazione dell’azoto 77.36 K
Liquefazione dell’4He 4.215 K
Temperatura dello spazio 3.1 K
Doppler cooling 0.0001 K (100µK)
Typical laser cooling 0.00001 K (10µK)
Refined laser cooling <0.00000017 K (170nK)
Il LASER per raffredare gas di atomi a temperature estremamente basse
T = 0 K zero assoluto
Fisica Atomica: LASER coolingIl LASER cooling è un metodo per raffredare un gas,
tipicamente atomi di metallo a bassa di temperatura (Rubidio, Sodio, Cesio) a temperature di alcuni � K.
Fisica Atomica: LASER cooling
Premio Nobel per la Fisica 1997 Steven Chu, Stanford University, Stanford, USA Claude Cohen-Tannoudji, College de FranceWilliam D. Phillips, National Institute of Standards, USA “per lo sviluppo delle tecniche di raffredamento e intrappolamento degli atomi con luce laser."
Temperatura raggiunta 2.5 � K
Bose Einstein Condensation
LASERI fotoni di un LASER sono identici
Si trovano nello stesso statoFenomeno di natura quantistica
Si può osservare lo stesso fenomeno per gli atomi ma ad una temperatura estremamente bassa (a circa 100 nK) Questo fenomeno si chiama condensazione di Bose-Einstein
Gas di atomi Condensato di Bose-Einstein
T = 100 nK
Bose Einstein Condensation
Premio Nobel per la Fisica del 2001 :Eric Cornell (USA) Wolfgang Ketterle (USA)Carl Weiman (USA)
20 mSec Time-of-Flight absorption image of 5x104 Rubidium atoms in a Bose Condensate (T ~ 100 nK)
Nobel Prize in Physics Winners 2005
(
ROY J. GLAUBER for his contribution to the quantum theory of optical coherence and one half jointly to JOHN L. HALL and THEODOR W. HÄNSCH for their contributions to the development of laser-based precision spectroscopy, including the optical frequency comb technique
Nobel Prize in Physics Winners 2012
(
SERGE HAROCHE and DAVID J. WINELAND for ground-breaking experimental methods that enable measuring and manipulation of individual quantum systems
E N I A C ( 1 9 4 6 )E l e c t r o n i c N u m e r i c a l
I n t e g r a t o r A n d C o m p u t e r
1 8 . 0 0 0 v a l v o l e t e r m o i o n i c h e ,
3 0 t o n n e l l a t e ,
1 8 0 m q
O G G I . . .
T i a n h e - 1 A ( 2 0 1 0 )
S u p e r c o m p u t e r
O p e r a z i o n i p e r s e c o n d o 1 P e t a F l o p s
I - P h o n e 4 s ( 2 0 1 2 )R A M 5 1 2 M b
INTERFERENCEINTERFERENCE
“…the heart of quantum mechanics. “…the heart of quantum mechanics. In reality it contains the only In reality it contains the only
mystery ...” mystery ...”
R.P. Feynman (1965)R.P. Feynman (1965)
Sorgente
A
B Probability of detectingthe particle
P(x) = PA(x) + PB(x)
Single particle interference(classical prediction)
Electrons passing through 2 slits
N = 1 0 N = 1 0 0 N = 3 0 0 0 N = 2 0 0 0 0 N = 7 0 0 0 0N = 1 0 N = 1 0 0 N = 3 0 0 0 N = 2 0 0 0 0 N = 7 0 0 0 0
“We choose to examine a phenomenon which is impossible, absolutely impossible, to explain in any classical way,
and which has in it the heart of quantum mechanics. In reality, it contains the only mystery.
We cannot make the mystery go away by explaining how it works...”
R. Feynman
“A phenomenon is not a phenomenon until is a measured phenomenon…”
J. A. Wheeler
“Esiste la luna in cielo se io non la guardo ?”
A. Einstein
Esistono le “proprietà oggettive”, gli “elements of physical reality” ?
A. Einstein
“It from bit” J.A.Wheeler
La realtà è creata anche dalle nostre domande,ovvero dall'informazione acquisita.
L’osservazione perturba il fenomeno: [“Indeterminazione di Heisenberg”]
Einstein: « Dio non gioca a dadi »
The theory yields a lot, but it hardly brings us any closer to the secret of the Old One. In any case I am convinced that He does not throw dice.
(Einstein to Max Born, 4 December 1926)
L'interpretazione di Copenhagen della Meccanica Quantistica:
“Lo scopo della nostra descrizione della natura non è il cercare l’essenza reale dei fenomeni ma soltanto
l’indagare con la massima profondità possibile le relazioni tra i molteplici aspetti della nostra
esperienza.”
Niels Bohr (1934)FAPP interpretation (For All Practical Purposes)
Per tutti i fini pratici
« While we have shown that the wave function does not provide a complete description
of the physical reality, we left open the question of whether or not such a description exists.
We believe, however, that such a theory is possible. »
Paradosso EPRper dimostrare che la Meccanica Quantistica
NON è la teoria definitiva
viene introdotto il concetto di entanglement
Entanglement:intreccio, groviglio
« I would not call entanglement one but rather the characteristic trait of quantum mechanics,
the one that enforces its entire departure from classical lines of thought. »
E. Schroedinger (1935)
Quantum Nonlocality
...non importa quanto spazio intercorra tra due particelle correlate attraverso l'entanglement. Queste comunicheranno fra di loro come se non ci fosse alcuno spazio...
Quanto veloce ?!?
… se fosse un'azione a distanza.. sarebbe almeno 104 più veloce della luce
… ma non può essere usato per comunicare in modo diretto!!
i386i386
1986
1 micron
2020
1 nanometro
1879QubitL'evoluzione della Information Technology
BIT
BIT: Variabile dicotomica 0 o 1
QU-BIT:
000 001 010 011 100 101 110 111
101
Classical Register Quantum Register
0 10 or 1
Classical Bit Quantum Bit
0, 1,
3-bit Register
Classical: can store exactly one of the eight different numbers, 000, 001, 010, ….., 111
Quantum: can store up to eight numbers in a quantum superposition of N qubits: up to 2N numbers at once
Quantum Register
By 2015 a single electron can be confined in a transistor
Example: factorizing a 1024-digit number:
- Classical computer takes a period > universe lifetime- Quantum computer could find the answer in 1sec.... (P.W. Shor 1994)
Experimental realization entangled photon states
Implemented by spontaneous parametric down conversion (SPDC)
In type I crystals photon pairss are created over conical regions and with equal polarization, orthogonal to the pump one
SPDC:
Non-deterministic process
Energy conservation:
Momentum conservation:
Degenerate emission:
Low generation probability
Il paradosso del gatto di Schroedinger
Atomo non decaduto
Atomo decaduto
Gatto vivo
Gatto morto
Non si osservano gatti vivi e morti allo stesso tempo!Interazione con l’ambiente: perdita di coerenza
Stato di sovrapposizione mistura statistica (vivo e morto) (vivo o morto)
( )