Pevnolátkové lasery
Skupina pevnolátkových laserů na KLFF je zaměřena na výzkum a vývoj speciálních laserů generujících záření ve viditelné, blízké a střední infračervené oblasti. Konkrétně na spektroskopii nových laserových aktivních materiálů, generaci krátkých a ultrakrátkých impulzů a charakterizaci generovaného laserového záření na úrovni nejnovějších vědeckých poznatků laserové techniky a elektroniky. Dále se zabývá i vývojem unikátních elektronických systémů pro lasery, přesná měření času a měření vzdáleností pomocí laserového radaru. Skupina se věnuje i aplikacím laserového záření v medicíně, senzorové technice a přenosu vysokovýkonového laserového záření speciálními optickými vlákny. Skupina spolupracuje taktéž na projektech řešených na pracovištích ELI−Beamlines (Extreme Light Infrastructure), HiLASE (High-average power pulsed lasers project), Crytur Turnov a taktéž spolupracuje s mnoha zahraničními laboratořemi.
Počítačová fyzika
Skupina počítačové fyziky na KLFF modeluje fyzikální procesy a vyvíjí metody numerického řešení parciálních diferenciálních rovnic. Vyvíjené numerické metody jsou aplikovány zejména ve fluidních simulacích interakce laserového záření s hmotou. Pomocí částicových simulací studuje interakci ultrakrátkých laserových impulsů s různými druhy terčů a transport vznikajícího záření a energetických částic. Skupina také provozuje menší výpočetní cluster a pro rozsáhlejší paralelní výpočty používá zejména zdroje Metacentra a IT4Innovations. Numerické simulace jsou úzce provázány s experimenty, slouží pro jejich návrh a interpretaci výsledků. Členové skupiny spolupracují s laboratořemi ELI−Beamlines, HiLASE, PALS (Prague Asterix Laser Systém) a se zahraničními pracovišti (Los Alamos National Laboratory, USA; CELIA (Centre Lasers Intenses et Applications), Univ. Bordeaux, Francie; Utsunomiya Univ., Japonsko). Skupina také provozuje laboratoř femtosekundového laseru na KLFF.
Rentgenová fotonika
Skupina rentgenové fotoniky na KLFF studuje generaci a interakci elektromagnetického záření v oblasti energie fotonů od 50 eV do 420 keV. Zvláštní pozornost je věnována oblasti 90−120 eV (aplikace v EUV litografii), celé oblasti 200−2000 eV (družicové teleskopy pro astrofyziku a mikroskopie v oblasti tzv. vodního okna) a oblasti 5−400 keV (rentgenová radiografie a tomografie). Skupina disponuje zdroji založenými na elektronovém svazku, plazmovým kapilárním zdrojem vyvinutým na katedře a plazmovým zdrojem založeným na interakci femtosekundového laseru s pevnolátkovým nebo plynným terčem. Předmětem studia jsou též různé rentgenooptické systémy a metody zobrazování absorpčního, fázového a rozptýleného záření v ultrafialové a rentgenové oblasti pro mikroskopii a pro diagnostiku vysokoteplotního plazmatu.
Nanofotonika a kvantové technologie
Skupina nanofotoniky a kvantových technologií na KLFF se zabývá studiem v oblasti fotonických nanostruktur, jako jsou například fotonické krystaly, metamateriály, plazmonické struktury a speciální substráty, periodické nebo kvaziperiodické fotonické systémy, systémy nanočástic, v poslední době také nehermitovské, nereciproké, či topologické fotonické struktury. V experimentální oblasti se dlouhodobě věnuje spektru technik pro realizaci a charakterizaci fotonických nanostruktur. Nově jsou předmětem zájmu také vybrané kvantové technologie, zejména v rámci optických, fotonických a plazmonických platforem (generace, detekce a aplikace korelovaných a kvantově provázaných fotonů), ve spolupráci zejména s KIPL a KF.
Skupina pokročilých kosmických technologií
Vývoj implantátů (InGRID)
Skupina InGRID vyvíjí vstřebatelné implantáty, zejména ze slitin hořčíku a zinku. Využívá metody umělé inteligence, řízení mikrostruktury a pokročilé charakterizační techniky. Prototypy ověřuje v testech in vitro i in vivo. Výzkum propojuje mikrostrukturu materiálů s jejich degradací v tělním prostředí a směřuje k optimalizaci vlastností a geometrie implantátů. Vývoj zahrnuje také titanové implantáty včetně 3D tisku, biodegradovatelné polymery, funkční povlaky s řízeným uvolňováním léčiv a matematické modelování korozních procesů.
Kontakt: Ing. Karel Tesař, Ph.D.
Mikromechanická charakterizace materiálů
Skupina se zabývá studiem materiálových vlastností v mikroobjemu. Orientuje se na vývoj a použití speciálních metod a miniaturních vzorků (z důvodu nedostupnosti materiálů, nebo testování přímo v provozních podmínkách). Mezi použité metody patří např. nanoindentace, scratch test, small punch test, ABIT, mini 3PB resp. 4PB, rezonanční únavové zkoušky na mini tělesech, určování polí posuvů a deformací pomocí DIC, in-situ zkoušení v elektronovém mikroskopu apod.
Kvantová dynamika, optika a informatika (Q3)
Skupina se soustředí na výzkum kvantové dynamiky, kvantové informace a kvantové optiky. Zkoumá vlastnosti kvantových procházek a jejich aplikací pro simulace koherentního přenosu excitací. Zajímá se o otevřenou dynamiku, tj. evoluci fyzikálních soustav pod vlivem interakce s okolím, a její efekt na kvantové soustavy. Dále zkoumá vývoj kvantových systémů pod vlivem měření. V oblasti kvantové informace se zaměřuje na vyhledávací algoritmy a přenos stavu mezi uzly sítě. Zabývá se i problémem tzv. bosonového vzorkování.
Fraktografická analýza
Výzkumná činnost se zaměřuje na výzkum lomových vlastností konstrukčních materiálů, který provádí ve vazbě na fyzikálně metalurgické poznatky. Získané informace jsou nezbytným požadavkem pro inženýrskou provozní i technologickou činnost. Nedílnou součástí této oblasti je i vývoj nových metod kvantitativní fraktografické analýzy. Kromě toho objasňuje příčiny různých poruch a havárií. Získané informace jsou základním vstupem jednak při odstraňováni příčin havárií, jednak pro studium zákonitostí porušování složitých mechanických soustav a odhad životnosti konstrukcí.
Fyzikální metalurgie
Skupina se zabývá především fázovými přeměnami v kovech a slitinách, degradačními procesy s nimi spojenými, vlivem fázových transformací na mechanické vlastnosti materiálů, jakož i jejich využitím při tepelném zpracování. Nedílnou součástí výzkumu je vývoj progresivních materiálů (např. intermetalických slitin, slitin s vysokou entropií, tenkých vrstev, plazmových nástřiků). Při tomto výzkumu je kladen důraz na pokročilé metody studia materiálů, jako je elektronová mikroskopie, energiově disperzní analýza či nanoindentace.
Počítačová mechanika
Skupina matematického modelování využívá principy mechaniky kontinua a numerickou metodu konečných prvků k simulaci porušování materiálů a konstrukcí. Rozvíjí i postupy reverzní analýzy ke stanovení mechanických vlastností malého objemu materiálu a tenkých vrstev. Výsledky výzkumu se uplatní především v leteckém a energetickém průmyslu při stanovení únavové životnosti konstrukcí a v jaderné energetice při stanovení stupně radiačního poškození materiálů reaktoru.
Matematická fyzika
Skupina se věnuje využití symetrií, např. při studiu integrabilních systémů v klasické a kvantové mechanice či při numerickém řešení pohybových rovnic v obecné teorii relativity. Pozornost je věnována i možným zobecněním Einsteinovy teorie gravitace a jejich důsledkům v kosmologii. Zkoumají se související oblasti diferenciální geometrie, topologie a algebry, zejména struktura Lieových grup a jejich aplikace, např. při konstrukci ortogonálních polynomů či speciálních funkcí, nebo geometrické objekty potřebné k popisu supergravitace a teorie strun. Dále je rozvíjena spektrální teorie Schrodingerových operátorů včetně jejího využití v kvantové mechanice a aplikace moderních metod statistické fyziky v terii pevných látek a ekonomii.
Řada aktivit skupiny probíhá v rámci Dopplerova institutu pro matematickou fyziku a aplikovanou matematiku
Fyzika plazmatu a termojaderné fúze
Skupina provozuje vlastní tokamak GOLEM a laboratoř PlasmaLab. Aktivně se podílí na výzkumu na českých tokamaku COMPASS a budoucím COMPASS-U, stejně jako na špičkových evropských zařízeních ASDEX Upgrade (Německo), TCV (Švýcarsko) a dříve i na největším tokamaku světa JET (UK). Naši studenti se zapojují do vývoje systémů pro mezinárodní reaktor ITER. Tokamak GOLEM slouží nejen k výuce, ale i jako flexibilní platforma pro špičkový výzkum – od diagnostiky a studia plazmatu (ubíhající elektrony, okrajová vrstva, stabilita výboje) po využití nejmodernějších technologií, včetně strojového učení či supravodivých materiálů. Výsledky přispívají k porozumění transportním procesům a k vývoji budoucích fúzních reaktorů.
Aplikovaná matematika a stochastika (GAMS)
Skupina GAMS se zabývá studiem fyzikálních, biologických a sociálních systémů, metodami matematické statistiky, matematické analýzy a teorie pravděpodobnosti. Jedná se především o statistickou analýzu dat, formulaci teoretických transportních modelů a hledání příslušných analytických řešení, matematické metody v defektoskopii, pravděpodobnostní odhady z malých sociálních oblastí, studium tzv. Φ-divergencí, matematické modely pro pohyb chodců, modely paniky a další.
Teoretická informatika (TIGR)
Skupina se věnuje aktuálním tématům diskrétní matematiky s aplikacemi v informatice i fyzice, jako jsou např. nestandardní reprezentace reálných i komplexních čísel, kombinatorické vlastnosti jazyků nekonečných slov či neperiodická dláždění prostoru. Středem zájmu jsou také algoritmy pro efektivní výpočty v nestandardních soustavách. Dalším tématem je studium jazyků nekonečných slov, které vede k řešení kombinatorických, algebraických a číselně-teoretických úloh.
Matematické modelování (MMG)
Skupina MMG se věnuje matematickému modelování a numerickým simulacím složitých jevů v přírodních a technických vědách, při ochraně životního prostředí a v informatice. Skupina se podílí na výzkumu a vývoji a zároveň na výchově mladých expertů v matematickém inženýrství. Skupina úspěšně spolupracuje s prestižními univerzitami, institucemi a průmyslovými firmami po celém světě.
Metody algebry a funkcionální analýzy v aplikacích (MAFIA)
Skupina MAFIA katedry matematiky provádí výzkum v oblastech matematické fyziky, matematické biologie, nerovnovážné termodynamiky a dalších oborech, kde je pro analýzu aktuálních problémů ve fyzikálních a technických vědách žádoucí rigorózní matematický přístup. V rámci této skupiny upřednostňujeme analytické a algebraické metody před numerickou analýzou, protože první z nich poskytují mnohem hlubší vhled a pochopení problému, i když velmi často vedou „pouze“ ke kvalitativním nebo asymptotickým výsledkům. Naší další motivací je potřeba matematických modelů odvozených ze základních principů fyzikálních teorií. Ze současných výzkumných zájmů můžeme jmenovat toy modely relativistických a nerelativistických kvantových systémů, chemickou kinetiku, tvorbu vzorů v biologii, spektrální geometrii, spektrální teorii lineárních operátorů nebo teorii reprezentací grup a algeber.
Nástroje pro Vědecké výpočty
Vědecké výpočty představují společnou oblast zájmu mnoha odborníků na FJFI, především z kateder KSI a KM. Zaměřujeme se na vývoj datových struktur a efektivních algoritmů v oblastech numerické matematiky, matematické statistiky, modelování, optimalizace a umělé inteligence. Podílíme se na základním i aplikovaném výzkumu a zajišťujeme výchovu mladých odborníků v této oblasti. Pro výzkumné projekty provozujeme a spravujeme systémy pro vysoce výkonné výpočty, včetně klastrů Helios a GPX. Spolupracujeme s předními univerzitami, institucemi a průmyslovými partnery po celém světě.
Strojové učení, neuronové sítě a umělá inteligence
Vývoj a implementace algoritmů strojového učení a umělé inteligence představuje klíčový krok k efektivnímu využití moderních technologií při řešení složitých úloh. Zvláštní důraz je kladen na aplikace metod deep learningu, které umožňují pokročilé zpracování velkého množství dat a odhalování skrytých vzorců. Tyto přístupy nacházejí široké uplatnění zejména v oblasti zpracování a analýzy obrazu, kde poskytují nástroje pro rozpoznávání objektů, automatickou klasifikaci či detekci anomálií s vysokou mírou přesnosti.
Vývoj technologií pro Programování a správa dat
Vývoj technologií pro programování a správu dat zahrnuje širokou škálu technologií a metod, které umožňují efektivní práci s informacemi a vývoj moderních softwarových řešení. Znalost jazyků jako C++, C, Java, C#, Python, Julia či MATLAB poskytuje flexibilní základ pro tvorbu aplikací od nízkoúrovňových systémů až po pokročilé vědecké výpočty. Nedílnou součástí je rovněž využívání webových technologií a databázových systémů, které zajišťují implementaci, správu i výzkum datových struktur. Významnou roli hraje také správa serverů a podpora paralelních a distribuovaných výpočtů, jež umožňují efektivní zpracování velkých objemů dat. Současně se uplatňuje optimalizace algoritmů, která přispívá k dosažení vyšší výkonnosti a úspornějšího využití výpočetních zdrojů.
Aplikace softwarových řešení pro komerční využití
Aplikace softwarových řešení pro komerční použití se zaměřuje na praktické aplikace moderních technologií a jejich přímé využití v průmyslové i podnikové praxi. Klíčovou oblast představuje tvorba webových aplikací a nástrojů pro vizualizaci dat, které usnadňují porozumění složitým informacím a jejich efektivní využití. Důraz je kladen také na návrh a implementaci grafických rozhraní programů, jež zajišťují uživatelskou přívětivost a intuitivní ovládání. Součástí činnosti je rovněž programování zařízení, robotů a jednočipových počítačů, což otevírá prostor pro automatizaci procesů a rozvoj inteligentních systémů. Významnou roli hraje i softwarová podpora 3D tisku, přičemž konkrétním příkladem je laboratoř 3D tisku v Děčíně, která propojuje výzkum s praktickými aplikacemi v oblasti výroby a designu.
Metody pro výzkum památek
K průzkumu předmětů hmotného kulturního dědictví jsou na FJFI rozvíjeny nedestruktivní a neinvazivní metody založeny na interakci rentgenového záření s látkou. K měření prvkového složení je užívána rentgenová fluorescenční analýza (XRF) pro bodová měření i plošné skenování povrchu předmětů. Hloubkovou distribuci chemických prvků je možné odhalit pomocí konfokální XRF. Metoda XRF nachází uplatnění při zkoumání především kovových předmětů, keramiky a maleb. Měření prvkového složení lze vhodně rozšířit o zobrazování vnitřních částí předmětů pomocí rentgenové radiografie.
Kontaktní osoba: prof. Ing. Tomáš Trojek, Ph.D.
Radioaktivita a životní prostředí
Skupina se zabývá sledováním životního prostředí odběrem vzorků, monitorováním depozice radionuklidů pomocí analýzy vzorků bioindikátorů a využitím in situ gama spektrometrie. Dále se podílí na vývoji metod monitorování pomocí letecké spektrometrie gama a na studiu přírodního ozáření radonem, zejména se zaměřením na měření radonu ve vodě, inhalací radonu pracovníky v podzemí, předpovídání zemětřesení pomocí výskytu radonu, mapování zdrojů radonu a jeho šíření objekty i pracovním prostředím.
Kontaktní osoba: Ing. Václav Štěpán, Ph.D.
Radioterapie, nukleární medicína a radiodiagnostika
Odborníci na FJFI se orientují na strategii a optimalizaci postupů jednotlivých lékařských výkonů v oblasti radioterapie. Jde zejména o experimentální ověření naplánovaných terapeutických dávek v cílových objemech. V tomto směru jsou vyvíjeny a optimalizovány speciální 3D gelové dozimetry vyrobené z tkáňově-ekvivalentního materiálu umožňující stanovit prostorové rozložení dávek se submilimetrovou přesností. Dále se odborníci zabývají měřením dávek pacientů při ozařování pomocí 2D detektoru umístěného pod pacientem a následnou rekonstrukci 3D dávky v pacientovi, díky které je možné porovnat léčebný záměr s reálným ozářením. Největší zájem o využití in vivo dozimetrie je v brachyterapii a u speciálních technik ozařování, kde se používají velmi vysoké dávky (Cyberknife, stereotaktická radioterapie, protonová terapie).
Kontaktní osoba: Ing. Petra Trnková, Ph.D.
Výpočetní metody a modelování Monte Carlo
Skupina se zabývá rozvíjením výpočetních metod a aplikacemi programů pro simulaci transportu záření látkou, a to zejména problematikou zpracování, analýzy a vyhodnocení spekter, dekonvolucí spekter a matematickým a statistickým zpracováním. V oblasti simulace transportu záření se jedná o modelové výpočty v oblasti odezvy detekčních systémů, stínění, radiační ochrany, radioanalytických metod, jaderné bezpečnosti a oblasti lékařských aplikací. Využívány jsou zejména univerzální programy MCNP, Geant4, Fluka a také specializované programy jako SCALE, SRIM, vizualizační programy, nástroje pro práci s antropomorfními fantomy pro medicínské výpočty apod. Vyvíjeny jsou i některé vlastní programové nástroje. Výsledky prováděných výpočtů se využívají v řadě praktických aplikací.
Kontaktní osoba: doc. Ing. Jaroslav Klusoň, CSc.