Nabídka témat studentských projektů

Magnetické karty pod mikroskopem - odhalíme padělek?
Vedoucí: RNDr. Eva Schmoranzerová, Ph.D. ([email protected]), KCHFO
Zaznamenávání informací na magnetické pásky je velmi často využíváno např. v kreditních
kartách, elektronických klíčích v hotelech apod. Jedná se o způsob zápisu založený na orientaci
magnetizace v mikroskopických magnetických částicích zabudovaných v polymerové matrici.
Každá karta má unikátní vzor, který je do pásku zapsán vnějším magnetickým polem. Vzor pak
lze číst pomocí jednoduché čtecí hlavy na principu elektromagnetické indukce.
Tento systém ukládání informací je velmi populární kvůli nízkým finančním nákladům spojeným
s výrobou a čtením karty. Magnetický vzor je však relativně snadné zkopírovat a vyrobit padělek
karty. Padělané pásky mají ovšem určitá specifika (nepravidelnosti), které je možné odhalit až
při přesnějším zobrazení jejich magnetické struktury. Proto je velmi důležité mít k dispozici
efektivní metody, která takové zobrazení umožní. K tomuto účelu je velmi vhodná tzv.
Kerrovská mikroskopie, která využívá citlivosti polarizačního stavu světla na směr magnetizace
v materiálu. Jejím speciálním typem jsou tzv. laserové skenovací mikroskopy, kde se
prostorového rozlišení dosahuje pomocí pohybu vzorku vůči fokusovanému laserovému svazku.
Náplní tohoto projektu bude studium magnetického vzoru kreditních karet metodou laserové
skenovací mikroskopie. Student se bude podílet na stavbě a optimalizaci mikroskopu, pomocí
něhož bude následně porovnávat struktury pravých a padělaných karet za účelem získání snadné
metody identifikace padělků. Projekt bude probíhat ve spolupráci s Kriminalistickým ústavem
Policie ČR. V případě zájmu je tento projekt možné rozšířit i do podoby bakalářské práce.
Magneto-optický obraz vzoru, realizovaný
pomocí speciální čtečky „MagView“.
Seznam literatury:
1. R. Schäffer, “Investigation of Domains and Dynamics of Domain Walls by the Magnetooptical Kerr-effect”, kapitola v knize, Wiley (2007)
2. A. K. Zvezdin, V. A. Kotov, „Modern Magnetooptics and Magnetooptical Materials“,
Institute of Physics Publishing, Bristol/Philadelphia (1997).
3. J. M. D. Coey, “Magnetism and Magnetic Materials“, Cambridge University Press,
Cambridge 2010
1
Vývoj nového typu aktivního laserového prostředí ve tvaru
tenkého disku
Vedoucí: Prof. Petr Malý ([email protected]), KCHFO MFF UK
ve spolupráci s Ing. M. Řehákovou
V oblasti laserů s vysokým středním výkonem se často využívá aktivní prostředí ve tvaru
tenkého disku (tloušťka <1mm), které lze účinně chladit na velké ploše. Problémem je kvalitní
kontakt mezi vlastním krystalem a substrátem, který musí zajistit vysokou mechanickou stabilitu
disku a účinný odvod tepla v rozmezí pracovních teplot přibližně 270 – 400 K. Pracoviště Hilase
Fyzikálního ústavu AV proto vypisuje námět na studentský projekt, na téma vývoj nového typu
aktivního laserového prostředí ve tvaru tenkého disku pro diskové lasery s vysokým středním
výkonem. Výstupem práce bude navržení technologického postupu lepení disků, návrh
potřebných přípravků a sada optimalizovaných Yb:YAG tenkých disků otestovaných v
jednoduchém laserovém systému. Práce bude probíhat pod vedením Ing. Martiny Řehákové
(výroba optiky a přípravků) a Ing. Martina Smrže, Ph.D. (optimalizace a návrh laserových
technologií).
Studentský projekt bude zaměřen na testování lepení vzorků optických materiálů (sklo,
YAG) ve tvaru tenkého disku (tloušťka 0,5-1,0 mm) na leštěné kovové nebo diamantové
chladiče. To je první krok pro přípravu tenkých disků Yb:YAG, které budou jako aktivní
prostředí testovány přímo v laseru. V případě zájmu je tento projekt možné rozšířit i do podoby
bakalářské práce.
Literatura:
1. https://cs.wikipedia.org/wiki/Laser
2. P. Malý: Optika, Karolinum, Praha 2008
2
Charakterizace bílých světel na bázi LED
Vedoucí: Prof. Petr Němec ([email protected]), KCHFO MFF UK
V současné době dochází k revolučním změnám v osvětlovací technice všude kolem nás.
Klasické vláknové žárovky jsou v mnoha aplikacích nahrazovány nejen výbojkovými trubicemi,
ale stále více také bílými světly nejnovější generace – tzv. LED žárovkami. Ve skutečnosti se o
žádné „žárovky“ nejedná. Tyto zdroje světla jsou složeny z jednotlivých bílých světelných diod,
které jsou společně s příslušnou řídící elektronikou složeny do modulů, které mají patice
kompatibilní s těmi, které byly používány pro běžné vláknové žárovky.
V tomto projektu se student nejprve seznámí se způsoby generování bílého světla v LED
(z anglického výrazu Light Emitting Diode) a s tím, jak jejich technologie souvisí s Nobelovou
cenou za fyziku udělenou v roce 2014. V druhé části projektu budou experimentálně studovány
vlastnosti několika komerčně dostupných bílých LED zdrojů s cílem porovnat jejich vyzařovací
charakteristiky – zejména spektrální a prostorové – s běžnými vláknovými žárovkami.
Literatura:
1. http://vnuf.cz/sbornik/prispevky/18-30-Valenta.html
2. https://cs.wikipedia.org/wiki/LED
3
Získání 3D obrazu finančně nenáročnými technikami
Konzultant: Vít Saidl ([email protected]), KCHFO MFF UK
V současné době dochází v zábavném průmyslu k silnému nárůstu poptávky po
zařízeních, které umožňují levně zobrazit filmy ve 3D – tato technologie je dostupná nejen ve
všech multikinech, ale postupně se začíná objevovat i v domácnostech (3D televize a headsety
pro virtuální realitu). Ve skutečnosti je tato technologie, přesněji řečeno předchůdci technologie
současné, relativně stará. Například Wheastonův stereoskop, což je přístroj schopný s pomocí
dvou různých obrazů pro obě oči vytvořit v mozku pozorovatele dojem trojrozměrného obrazu,
vznikl již v roce 1838. A první velká vlna 3D filmů se pak objevila v 50. letech minulého století.
Lidé sledující roku 1952 film Bwana devil; Foto: J. R. Eyerman
V první části tohoto projektu vypracuje uchazeč rešerši o technologiích, které se
v současné době používají pro vytvoření iluze trojrozměrného obrazu (polarizační kódování,
anaglyf, aktivní závěrkové brýle, ...). V druhé části projektu budou experimentálně prostudovány
brýle používané v různých multikinech s cílem identifikovat tam využité technologie. Dále se
pokusíme experimentálně sestavit primitivní stereoskop z 19. století.
Literatura:
1. https://cs.wikipedia.org/wiki/3D_televize
2. P. Malý: Optika, Karolinum, Praha 2008
4
Měření ultraslabých světelných signálů
Konzultant: Mgr. Tomáš Chlouba ([email protected]), KCHFO MFF UK
Koncept jednotlivých fotonů je znám od Maxe Plancka již od počátku 20. století. Ke skutečné
detekci jednotlivých fotonů ovšem došlo až o desítky let později z technologických důvodů.
Dnes je jedním ze způsobů detekce jednotlivých fotonů použití zesílené CCD kamery, která tak
dokáže měřit světlo nepopsatelné klasickými Maxwellovými rovnicemi.
PI-MAX 4 je nejmodernější emICCD kamera, jejíž citlivost je na úrovni jednotlivých fotonů.
Kamera je k dispozici v laserových laboratořích na Katedře chemické fyziky a optiky. Jedná se o
CCD kameru s dvojím zesílením (hradlovaný zesilovač světla & násobení elektronů na CCD
čipu), což jí umožňuje detekovat jednotlivé dopadající fotony. Kamera je zároveň hradlovaná
s nejmenší šířkou hradla 500 ps. Kamera tak může měřit děje odehrávající se
na subnanosekundové a nanosekundové časové škále. Kamera je umístěna na výstupu
zobrazovacího spektrografu IsoPlane.
V rámci tohoto projektu se seznámí s kamerou a s metodami měření ultraslabých světelných
signálů. Cílem projektu bude ověřit citlivost emICCD kamery, charakterizovat vlastnosti kamery
a porovnat výhody a nevýhody jednotlivých způsobů detekce fotonů.
Nanokrystal generující jednotlivé fotony
Literatura:
1. http://en.wikipedia.org/wiki/Charge-coupled_device
2. http://www.princetoninstruments.com/products/imcam/pimax/
3. P. Malý: Optika, Karolinum, Praha 2008
5
Měření délky infračervených femtosekundových laserových
pulzů pomocí metody FROG
Konzultant: RNDr. Jan Salava ([email protected]), KCHFO MFF UK
Ultrakrátké femtosekundové laserové pulsy se používají v materiálovém výzkumu jako mocný
nástroj studia rychlých procesů a nelineárních jevů. Pro správnou interpretaci získaných údajů, je
třeba znát co nejpřesněji parametry použitých pulzů. Hlavními charakteristickými vlastnostmi
ultrakrátkých pulzů jsou jejich spektrum a časový průběh intenzity světla. V případě
femtosekundových pulzů nelze délku pulzu změřit přímo zejména kvůli pomalé odezvě
standardních detektorů, resp. jejich elektroniky, na tak krátkých časových škálách. V poslední
době se rozvinulo několik nových metod, s jejichž pomocí lze kompletně rekonstruovat průběh
elektromagnetického pole daného pulzu.
Cílem projektu bude pomocí metody FROG (frequency resolved optical gating) změřit délku
infračervených femtosekundových pulzů. Tato metoda, spočívající v měření spekter pulzů na
druhé harmonické frekvenci generovaných dvěma identickými pulzy s různým zpožděním, nám
pomůže změřit délku IČ pulzů vycházejících z optického parametrického zesilovače TOPAS.
Literatura:
1. http://frog.gatech.edu/
2. P. O’Shea et al., Practical issues in ultra-short-pulse measurements with
‘GRENOUILLE’, Appl. Phys. B 79, 683–691 (2004).
6
Generace druhé harmonické frekvence v UV oblasti
Konzultant: Bc. Martin Zukerstein ([email protected]), KCHFO MFF UK
Při použití moderních pulzních laserů intenzita záření dosahuje takových hodnot, že optické
vlastnosti látek začnou záviset na intenzitě světla a v látkách dochází k interakci mezi světelnými
svazky a ke změnám jejich vlnové délky. Nelineární optické jevy, jako jsou například generování
druhé harmonické frekvence, součtové nebo rozdílové frekvence, jsou nedílnou součástí
experimentů téměř v každé optické laboratoři. Pro studium materiálů metodami ultrarychlé
laserové spektroskopie je naprosto nezbytné získat zdroj ultrakrátkých femtosekundových
laserových pulzů v širokém spektrálním oboru.
Cílem projektu je teoretické studium metody generace druhé harmonické frekvence
v nelineárních krystalech. Práce bude zaměřena na výpočet závislosti účinnosti generace na
vlnové délce a také na úhlu sfázování. Důraz bude kladen na UV oblast, pro kterou je v praxi
získání účinného zdroje náročné. Závěrem bude navrženo experimentální uspořádání pro
konkrétní nelineární krystal.
V případě zájmu bude možné v laboratoři změřit účinnost generace druhé harmonické frekvence
v nelineárním krystalu BBO ve spektrální oblasti od cca 210 nm.
Literatura:
1. Boyd, R. W. Nonlinear Optics. Třetí vydání. Academic Press, 2008.
2. Saleh, B. E. A., Teich, M. C. Základy fotoniky, díl 4. Praha: Matfyzpress, 1994.
3. P. Malý: Optika, Karolinum, 2008.
7
Charakterizace Berekova polarizacniho kompenzátoru
Konzultant: Mgr. Vít Saidl ([email protected]), KCHFO MFF UK
Jedním ze základních vlastností světla jakožto elektromagnetického záření je jeho polarizace.
Přestože k polarizaci světla je lidské oko necitlivé, s jejími projevy se setkáváme v každodenním
životě (např. při použití polarizačních brýlí k potlačení odrazů, v LCD displejích, 3D
technologiích v kině a mnoho jiných). Ve vědeckých aplikacích nám změna polarizace světla po
průchodu či odrazu od materiálu může poskytnout cenné informace o jeho mikroskopické
struktuře. Měření takových změn, které mohou být v realitě velmi malé, je však velmi obtížný
úkol, který vyžaduje přesné definování polarizačního stavu vstupního a výstupního světelného
svazku. Jedním z optických prvků, který umožňuje vytvořit libovolný polarizační stav
(kruhovou, lineární i obecnou eliptickou polarizaci) v široké spektrální oblasti, je Berekův
kompenzátor.
Berekův kompenzátor funguje na principu natáčení osy dvojlomného krystalu vůči směru šíření
světla, čímž lze ladit vzájemné fázové zpoždění jednotlivých složek vektoru elektrického pole, a
tedy měnit polarizaci světla.
V tomto projektu se student nejprve detailně seznámí s teoretickým popisem a principy určení
polarizačního stavu světla. Ty budou poté aplikovány na charakterizaci Berekova kompenzátoru,
zejména vzhledem ke kvalitě získané lineární a kruhové polarizace, která určuje použitelnost této
komponenty v experimentech probíhajících v naší laboratoři. Zaměříme se především na
charakterizaci pro viditelné vlnové délky světla, kde v současné době chybí jiné kvalitní
širokospektrální polarizační fázové destičky pro manipulaci s polarizací. Jako zdroj světla pro
charakterizaci bude použit optický parametrický oscilátor Inspire, a student tak bude mít
možnost seznámit se také s fungováním tohoto moderního laserového systému určeného ke
generaci ultrakrátkých pulsů v extrémně široké spektrální oblasti.
Projekt bude řešen v Laboratoři Optospintroniky, a tématicky navazuje na studentskou práci
„Kouzlo polarizace“, řešenou úspěšně na témže pracovišti v minulém období.
Literatura:
1. E. Hecht: „Optics“, Addison Wesley, San Francisco (2002).
2. manuál k Berekovu kompenzátoru
3. studentský projekt, J. Schusser: „Skryté kouzlo polarizace“, MFF UK (2014).
8