Lézertechnológusok képzése a szegedi szuperlézer (ELI-ALPS) fényében

Átírás

1 a szegedi szuperlézer (ELI-ALPS) fényében Kecskeméti F iskola GAMF Kar MINMAFI 2014 Modern módszerek az informatika, matematika és zika oktatásában

2 TÁMOP C-12/1/KONV projekt Jelen kutatási eredmények megjelenését az 'Ágazati felkészítés a hazai ELI projekttel összefügg képzési és K+F feladatokra' cím, TÁMOP C-12/1/KONV azonosítószámú projekt támogatja. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társnanszírozásával valósul meg. Cél: az országban a lézerekkel kapcsolatos oktatás rendszerének fejlesztése, hogy ezzel a szegedi szuperlézer és a gazdaság más szerepl i fejl dését is el segítsük ezen a rohamosan fejl d szakterületen. A pályázat célkit zéseit az Szegedi Tudományegyetem által vezetett konzorcium keretében valósítjuk meg. A konzorcium további tagjai a Pécsi Tudományegyetem, a debreceni székhely ATOMKI és a Kecskeméti F iskola. Együttm köd szervezet a Budapesti M szaki és Gazdaságtudományi Egyetem, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont és a Szegedi Biológiai Kutatóközpont.

3 El adásvázlat ELI-ALPS Szegeden 1 ELI-ALPS Szegeden Elvi megközelítés Szolgáltatások Infrastruktúra 2 3 A TÁMOP pályázatunk témája A képzés háttere f iskolánkon A képzés paraméterei

4 ELI-ALPS ELI-ALPS Szegeden Elvi megközelítés Szolgáltatások Infrastruktúra ELI = Extreme Light Infrastructure Extrém a fényforrás, mert nagyon rövid fényimpulzusokat és nagyon nagy pillanatnyi fényintenzitásokat állít el. ALPS = Attosecond Light Pulse Source Attoszekundumos (10 18 s) fényimpulzusokat szolgáltat.

5 ELI-projekt három f pillére Elvi megközelítés Szolgáltatások Infrastruktúra ELI-Beamlines Facility (Prága, Csehország) F ként rövid impulzusú másodlagos sugár- és részecskeforrások kifejlesztésére, és ezek multidiszciplináris alkalmazásaira összpontosít. Lehet séget szolgáltat továbbá a nagy teljesítmény, nagy ismétlési frekvenciájú fényforrásával alapzikai kísérletek végzéséhez a W /cm 2 intenzitástartományban. ELI-Nuclear Physics Facility (Bukarest, Románia) F ként a lézerek által kiváltható nukleáris jelenségekre összpontosít. Két nagy berendezést tartalmaz: az egyik egy nagyon nagy intenzitású lézer, a másik egy nagy teljesítmény gamma sugár, amelyet egy lineáris gyorsító elektronjalábjának inkoherens Compton szórása segítségével állítanak el. ELI-Attosecond Facility (Szeged, Magyarország) F ként az extrém rövid, attoszekundumos (10 18 s) id skálán atomokon, molekulákon, plazmán és szilárd testeken végzett dinamikai vizsgálatokra összpontosít. A THz-es (10 12 Hz) és a röntgen ( Hz) frekvenciatartományok között nagy ultrarövid impulzusú, nagy ismétlési frekvenciájú sugárforrásokat szolgáltat.

6 ELI-ALPS küldetése ELI-ALPS Szegeden Elvi megközelítés Szolgáltatások Infrastruktúra A nemzetközi tudományos kutatói közösség és az ipari alkalmazások területér l érkez felhaználók számára ultrarövid impulzusokat szolgáltató fényforrások széles skálájának rendelkezésre bocsátásával kutatási infrastruktúraként szolgáljon. A 200 PW csúcsintenzitású impulzusok el állításához szükséges tudományos és technikai fejl dést el segítse.

7 A felkínált fényforrások Elvi megközelítés Szolgáltatások Infrastruktúra 10 Hz 100 khz ismétlési frekvenciájú, néhány fényperiódus id tartamú impulzusok a terrahertz (infravörös) tartománytól a petahertz (ultraibolya) tartományig. Attoszekundumos extrém-ultraibolya, lágy röntgen és kemény röntgen impulzusok 100 khz-es és 10 Hz-es ismétlési frekvenciával akár mj impulzusenergiákkal. Néhányszor 10 kev-os fotonenergiájú, femtoszekundumosnál rövidebb id tartamú kemény röntgen impulzusok. Ultra-relativisztikus intenzitású, ultranagy id beli kontrasztú, változtatható id beli alakú impulzusok akár néhány Hz-es ismétlési frekvenciával. A fent említett fényforrások precíz szinkronizálása.

8 Alkalmazási területek Elvi megközelítés Szolgáltatások Infrastruktúra Vegyérték elektron vizsgálatok Az atomokon, molekulákon belüli, a vegyértékelektronok állapotváltozásain keresztül meggyelhet folyamatok nagy id felbontású vizsgálatára nyílik mód. Atomtörzsi-elektron vizsgálatok Jelenleg a bels elektronhéjak részletesebb vizsgálata csak nagy fotonenergiájú sugárzást kibocsátó szinkrotron forrásokkal kivitelezhet, de csak limitált id beli felbontással és koherens jelleg nélkül. 4D képalkotás Az ultrarövid, koherens fényforrásokkal lehet vé válik az elektronok mozgásának attoszekundumos id beli és atomi lépték térbeli vizsgálata. Relativisztikus kölcsönhatások A nagyintenzitású lézermpulzusoknak és anyaggal való kölcsönhatása eddig nem vizsgált, relativisztikus jelenségek körébe vezetnek. Biológiai, orvosi és ipari alkalmazások Az ifrastruktúrával végezhet vizsgálatok alkalmazott alapkutatások körébe tartoznak.

9 Elvi megközelítés Szolgáltatások Infrastruktúra A tervezett épületegyüttes Szeged határában A megépítend épületek elegend területet biztosítanak mintegy 150 kutató, fejleszt és adminisztrációs tevékenységet folytató személy számára kialakítandó irodák, szemináriumi- és tárgyalótermek, könvtár és szociális helyiségek számára is.

10 Elvi megközelítés Szolgáltatások Infrastruktúra A tervezett épületegyüttes Szeged határában A csúcstechnológiát képvisel kutatási berendezések épületrészeinek speciális m szaki feltételeknek kell megfelelniük, els sorban a rezgésvédelem, a termikus stabilitás, a relatív páratartalom, a tisztaterek és a sugárvédelem tekintetében.

11 Az alaprajz ELI-ALPS Szegeden Elvi megközelítés Szolgáltatások Infrastruktúra A épület A lézer technológia helyiségcsoportjai, B épület - a kiegészít tudományos-m szaki területek helyiségcsoportjai, C épület - a tudásközpontként is szolgáló, irodai és kutató funkciókat tartalmazó fogadó épület, D épület - a komplexum kiszolgálását, karbantartását és fenntartását biztosító multifunkcionális csarnok.

12 A lézerrendszer elemei Elvi megközelítés Szolgáltatások Infrastruktúra HR: nagy ismétlési frekvenciájú fényforrás SYLOS: Egy fényperiódusú lézer HF: intenzív lézerter fényforrás

13 Nagy kérdések a Science magazin szerint 2005-b l 1 Csak a mi univerzumunk létezik-e? 2 Mi hajtja a kozmikus tágulást? 3 Mikor és hogyan formálódtak a világ els galaxisai? 4 Honnan érkeznek az ultranagy energiájú kozmikus sugarak? 5 Milyen folyamat táplálja a kvazárokat? 6 Milyen a fekete lyukak természete? 7 Miért van több anyag, mint antianyag? 8 Elbomlanak-e a protonok? 9 Milyen a gravitáció természete? 10 MIért különbözik az id a többi dimenziótól? 11 Vannak-e a kvarkoknál kisebb épít kövek? 12 Vannak-e a neutrínóknak antirészecskéi? 13 Konstruálható-e olyan egyesített elmélet, amely le tudja írni a korrelált elektronok ma ismert összes rendszerét? 14 Maximálisan milyen intenzitású lézernyaláb állítható el? Elméletileg a nagyon er s lézersugár fotonjai szétporladnak elektron-pozitron párok keltése közben. Azt azonban senki nem tudja, hogy ez kísérletileg valóban megvalósítható-e? 15 Készíthet -e tökéletes optikai lencse? 16 Lehetséges-e szobah mérsékleten m köd mágneses félvezet ket el állítani?

14 A jelek hosszának rövidülése

15 Lézerimpulzusokkal elérhet intenzitás növekedése

16 Lézerimpulzusok jellemz i A fényimpulzusok térbeli hossza: L = c τ, a fényimpulzusok maximális teljesítménye: P max = E τ, a fényimpulzusok maximális intenzitása: I max = P max A a fényimpulzusok elektromos térer ssége: E max [V /cm] = 27, I max [W /cm 2 ]

17 Lézerekkel kelthet elektromos tér er ssége El állítása τ [s] L W [J] Pmax [W] A [cm 2 ] Imax [W/cm 2 ] Emax [V/cm] Normál imp. (Nd) m ,510 4 Q-kapcsolt (Nd) ,3 m ,710 6 ML (Nd:YAG) ,0 mm ,710 7 ML (Ti:zafír) ,0 µm ,710 6 CPA (Ti:zafír) ,0 µm ,710 9 ELI (Ti:zafír) ,0 µm , Az atomi elektromos terek nagyságrendje a V/cm érték nagyságrendjébe esik.

18 Felvetés ELI-ALPS Szegeden Felmerül azonban a kérdés, hogy hogyan lehetséges ilyen rövid és intenzív fényimpulzusok létrehozása. A következ kben erre próbálok választ adni.

19 A lézerm ködés feltétele a populáció-inverzió A bees fény indukált emisszió révén er södik, ha a magasabb energiájú állapotban több atom van, mint az alacsonyabb energiájú állapotban. Az er sítés eléréséhez az anyagot speciálisan kell gerjeszteni. A gerjesztés módja szerint különböztetünk meg többek között szilárdtest-, gáz-, festék- és félvezet lézereket.

20 A szilárdtest lézereket optikailag pumpálják Manapság az optikai pumpálás f ként lézerekkel történik.

21 Lézer rezonátora ELI-ALPS Szegeden A két végtükör között a fény oda-vissza ver dve feler södik.

22 Normál impulzusok ELI-ALPS Szegeden Amikor a populációinverzió meghaladja azt a küszöbértéket, amely fölött a körülfutási er sítés nagyobb, mint egy, akkor a lézerben egy jellemz en 1 µs hosszúságú fényimpulzus keletkezik, amely a populációinverziót lenullázza.

23 Q-kapcsolás ELI-ALPS Szegeden Egy optikai zár csak jóval a lézer populációs küszöbének elérése után engedi elindulni a lézert. A nagyobb populáció-inverzió miatt nagyobb er sítés jellemz en 10 ns hosszúságú fényimpulzusok keltését teszik lehet vé.

24 Módusok csatolása ELI-ALPS Szegeden A rezonátor longitudinális módusai fázisait csatolva elérhetjük, hogy a rezonátor körülfuási ideje adta periódusid vel rövid impulzusok sorozata alakul ki. Az impulzusok id tartama attól függ, hogy milyen széles spektrális tartományban tudjuk a módusokat egymáshoz csatolni.

25 Lézerek módusai csatolásának lehet ségei Lehetséges a rezonátorbeli fényszaláb amplitúdó-, illetve fázismodulációjával is. Lehet aktívan, de lehet passzívan is, azaz aktív beavatkozás nélkül is. Aktívan: forgótükörrel, elektropotikai modulátorral, akusztooptikai modulátorral. Passzívan: telít d abszorpciójú anyaggal (festék, dielektrikum tükör), optikai Kerr-hatás okozta önfókuszálás kihasználásával, illetve segédrezonátorok jelének interferenciája okozta moduláció segítségével. A passzív eljárásokkal lehet rövidebb lézerimpulzusokat el állítani, mert az adaptív moduláció gyorsaságát, hatékonyságát nem lehet aktív eljárások lassabb modulációs jeleivel utolérni.

26 Normális diszperzió hatása Átlátszó közegeken áthaladó nagyon rövid fényimpulzusok id tartama megnövekszik: az anyagi diszperzió hatására szokásos esetben (normális diszperzió) a hosszabb hullámhosszúságú fénykomponensek el re szaladnak. A szokásostól eltér, anolális diszperzió esetén a hosszabb hullámhosszúságú fénykomponensek maradnak le.

27 Diszperzió kompenzálása

28 Néhány ciklusos fényimpulzusok Elegend en széles spektrumú lézeranyag, elegend en gyors és hatékony moduláció és megfelel diszperzió-kompenzálás esetén a fény periódusidejének nagyságrendjébe es impulzus id tartamok is elérhet ek. Ekkor már az is fontos, hogy mekkora a burkoló és a viv hullám relatív fázisa.

29 CPA (Chirped Pulse Amplication) Az er sít anyagban elkerülhetjük a nemlineáris jelenségek felléptét, ha az impulzusokat megnyújtjuk a fényer sítés kedvéért.

30 Magas harmonikus keltés gázokban

31 Magas harmonikus keltés gázokban Az elektron rekombinációja során a felvett több foton energiáját egyetlen nagy energiájú foton kibocsátásával az elektron.

32 A harmonikusok összege attoszekundumos impulzust ad Rögzített fázisú összegzés esetén: E (t) = E (t) = Real N k=1 [ N k=1 E 0 cos(k ω t) E 0 exp(i k ω t) ] E (t) = E 0 Real [e iω t + e i2ω t e i N ω t ( ) E (t) 2 = E 0 2 sin((n 1) ω t) 2 sin ω t ]

33 A harmonikusok összege attoszekundumos impulzust ad Az ötlet ugyanaz, mint a móduscsatolt lézerimpulzusok keltésénél. Kiderült, hogy a móduscsatolást a magas harmonikus keltési folyamata automatikusan elvégzi.

34 Attoszekundumos impulzusok keltése

35 Mert intenzív, jól fókuszálható és kiválóan automatizálható

36 Sokoldalú alkalmazhatóság A lézer paramétereinek megválasztásával nagyon sokféle alkalmazasra van lehet ség.

37 Impulzuslézerek alkalmazása Rövid fényimpulzusokkal nagyon határozott, jól deniált alakzatokat lehet kialakítani.

38 Nanomegmunkálás ELI-ALPS Szegeden Rövid fényimpulzusokkal másképpen elképzelhetetlen méretben lehet alakzatokat kialakítani.

39 Technológiai min ség A lézeres technológiák elterjedése a technikai színvonal emelkedésével jár. A technológiával elérhet kiváló min ség javítja a gazdaság versenyképességét. Az elterjedést segíteni kell a munkaer piaci szerepl ezirányú ismereteinek b vítésével.

40 A pályázat küldetése ELI-ALPS Szegeden A TÁMOP pályázatunk témája A képzés háttere f iskolánkon A képzés paraméterei A pályázat f célkit zése, egy olyan hazai ELI-konzorcium alapjainak lerakása, mely konkrét szolgáltató intézménycsoportként is m ködik, és amely a regionális, ágazati kapacitásfejlesztésekhez igazodva a regionális-térségi munkaer -piaci igényeket elégíti ki egységes szolgáltatási portfolió kialakításával. Ennek érdekében a konzorcium vállalja, hogy Lézerzikai Oktatási Klasztert hoz létre a fels okatatás intézmények fotonikai képzésének összehangolására. Lézertechnikai Platformot hoz létre az ipari- és kutatóintézetek és az oktatóintézetek igényeinek, tevékenységének koordinálására.

41 Lézeres tárgyú képzések A TÁMOP pályázatunk témája A képzés háttere f iskolánkon A képzés paraméterei A pályázat megvalósítása során a konzorciumi partnerek, egyéb tevékenységek mellett, oktatási anyagokat dolgoznak ki doktori iskolák, mesterfokú képzések, alapfokú képzések számára. De oktatási anyagokat állítanak össze még tréningek, ismeretterjeszt el adások számára is. Az oktatásfejlesztés szerteágazó területeken, interdisciplináris jelleggel is történik. Egy Lézertechnológus szakirányú szakmérnökképzést is elindít az ágazat szakmérnök igényeinek kielégítésére.

42 A TÁMOP pályázatunk témája A képzés háttere f iskolánkon A képzés paraméterei Kutatás Fejlesztés Innováció a GAMF Karon Lézerzikai kutatások Járm ipari vizsgálatok Készülék-, szerszámtervezés, technológiaracionalizálás Automatizálási, ipari informatikai rendszerek tervezése Anyagok összetételének meghatározása, az anyagtulajdonságok mérése és a feldolgozás-technológia optimalizálása Hossz-, és geometriai méréstechnika Alkalmazott informatika

43 Lézeres kutatólaboratórium A TÁMOP pályázatunk témája A képzés háttere f iskolánkon A képzés paraméterei TIOP pályázat keretében 2011-ben egy lézerzikai kutatólaboratóriumot és egy száloptikai hallgatói laboratóriumot hoztunk létre.

44 Másoddiplomás képzés A TÁMOP pályázatunk témája A képzés háttere f iskolánkon A képzés paraméterei A képzésre az alapfokú képzésben gépészmérnöki diplomát szerzett hallgatók jelentkezhetnek.

45 A TÁMOP pályázatunk témája A képzés háttere f iskolánkon A képzés paraméterei Köszönöm a gyelmet!