A WIGNER FIZIKAI KUTATÓKÖZPONT SZEREPE AZ ELI-BEN

Átírás

1 A WIGNER FIZIKAI KUTATÓKÖZPONT SZEREPE AZ ELI-BEN CZITROVSZKY ALADÁR IV. ILAS TATABÁNYA

2 A WIGNER FIZIKAI KUTATÓKÖZPONT SZEREPE AZ ELI-BEN TARTALOM: Előzmények Az intézet bemutatása, az infrastruktúra ismertetése Az ELI-program - a helyszínpályázattól az ELI-ALPS-ig Az Attoszekundumos impulzusok generálása Roncsolási küszöb mérése Interferometrikus mérések Optikai felületek minősítése és vékonyréteg technológia, egyebek Összefoglaló

3 Wigner Research Centr for Physics 27 ha

4 Wigner Research Centre for Physics Institute for Solid State Physics and Optics

5

6 Gázlézer laboratórium

7 Laser Physics Lab

8 Tunable 100 fs-os Ti:saphire laser developed in the Institute

9 High Intensity Light Matter Interactions Lab Long-cavity (chirped-pulse) oscillator P. Dombi L 80 m

10 Femtosecond Laser Laboratory Laser pulse compression Femtossecond laser system

11

12

13

14

15

16

17 Development of solid state CW lasers Tükör Fókuszáló lencse Opt. elem Opt. elem Eltérítő (behelyezhető) tükör Nd:YAG Lézer hűtőrendszer Nd:YAG Lézer tápegység Teljesítmény mérő Nd:YAG solid state laser, micron wavelength, 6.3 mm beam diameter, Laser power 125 W CW Laser beam divergence ~ 2 mrad Pilot laser: 5 mw He-Ne laser micron wavelength

18 Testing of ballistic ball-proof vest 10 mm thickness (white inset, coated with textile) burn-through time - several sec

19 Small size (standard) brick Among others the brick consists of silicium (quartz) which has melting point above 1200 C. When we start the irradiation, the absorption is high enough to melt the material of the brick. When the brick is melted a dark glass like material builds up with high reflexivity (smooth surface), which acts as a mirror for the irradiating beam. When this mirror become larger then the beam waist the whole beam is reflected from the surface. Because of this effect we were unable to burn through the whole brick. The depth of the obtained craters practically does not change after ~30 seconds and is around 5-6 mm.

20 Raman-, fluorescent-spectroscopy and samplepreparation

21 Crystal technology PC controlled crystal growing Facility

22 Crystal technology

23 Development of data evaluation electronics and software

24 Preparatory Phase of ELI Bulgaria - Czech Republic - France - Germany - Greece - Hungary - Italy - Lithuania - Poland - Portugal - Romania - Spain - United Kingdom

25 European Strategy Forum on Research Infrastructures

26 HiPER (High Power laser Energy Research Facility) ? Facility dadicated to demonstrating the feasibility of laser driven fusion IFMIF (International Fusion Materials Irradiation facility) www-dapnia.cea.fr JHR (Jules Horowitz Reactor) Other Laser Projects

27 ELI az első alapkutatási célra fejlesztendő infrastruktúra, amely egy szuper teljesítményű lézerre épül W/cm² - ultrarelativisztikus kölcsönhatások. A kifejlesztendő lézer ~1000-szer nagyobb teljesítményű lenne, mint a jelenleg létező lézerek (Laser Mégajoule Franciaországban, National Ignition Facility (NIF) az USA-ban). A nagy teljesítmény nemcsak a nagy energiának, de az igen rövid impulzusnak is köszönhető (femtosec., attosec.). Az ilyen rövid impulzusok lehetőséget adnának pl. az atomon belüli változások vizsgálatára új időskálán, a fény elektromos tere által történő nagy energiájú részecske gyorsításra töltött részecskék esetén (újfajta gyorsítók), az anyag és a fény újfajta kölcsönhatásának vizsgálataira atto- (10-18 ) és zepto-sec (10-21 )-os skálán, stb.

28 Tudományos kérdések: Nemlineáris QED, Párkeltés, Vákuum polarizáció, Nagyon nagy energia akkumulálása plazmában (rövid idő alatt a plazma nem tud szétrepülni), Rövid elektromágneses impulzusok létrehozása, Lézerimpulzus szórása az általa létrehozott elektronokon koherens Thomsonszórás, Ultra-rövid nagy teljesítményű X- sugarak generálása, Magfizika, Nagy energiájú fizika, asztrofizika, Relativitás elmélet.

29 Műszaki kérdések: Új technológiák kifejlesztése az optikai méréstechnika területén, Új eljárások kimunkálása az optikai vékonyréteg gyártás területén, Meglévő technológiák innovatív alkalmazása, stb. A berendezés megépítése során felmerülő műszaki kérdések megoldása (stabilitás, reprodukálhatóság, biztonság, stb.) Alkalmazások: Onkológia, Új atomreaktor fűtőelem kezelés, Új fajta részecskegyorsítók létrehozása és alkalmazása, A >10 25 W/cm² teljesítmény sűrűség igen rövid időskálán új fény-anyag kölcsönhatásokat generál - pumpa-próba kísérletek, más nagy időbeli felbontású optikai méréstechnika, stb.

30

31 Site competition APPLICATION FOR HOSTING EXTREME LIGHT INFRASTRUCTURE IN HUNGARY Hungarian 4 C-s for ELI: Competitiveness, commitment, competence, cooperation National Office for Research and Technology HUNGARY-1117, Budapest, Neumann J. u. 1/c Tel.: Fax: info@nkth.gov.hu

32 Attosecond facility Attosecond sciences & applications High rep rate generation of attosecond XUV pulses Attosecond physics with relativistic High Order Harmonics Twin 10-PW beamlines Synchronized XUV / X- ray and IR facility Material and biological applications of attosecond pulses Beamline facility Beamline generation of secondary sources for science and applications X-ray sources driven by ultrashort laser pulses Particle acceleration by lasers Applications in molecular, biomedical, and material sciences Plasma and high energy density physics Exotic physics and theory Photonuclear facility Laser-induced nuclear physics for science and applications Development of Nuclear Physics methods to study laser-target interaction Exploratory Nuclear Physics Studies New photo-nuclear physics

33 A helyszín: Szeged

34 The site is Szeged 34

35 ELI-ALPS (Attosec. Laser Pulse Source)

36 Az ELI ALPS látványtervei

37 as molecular vibration & chemical reaction electronic motion & e-e correlations visible object motion coupling to the vacuum & molecular rotation planet orbiting & rotation age of the mankind age of the universe VUV/x-ray techniques optical technologies fast electronics camera diaphragm stop watch time / seconds

38 Q-Switch, Dye I=kW/cm 2 Modelocking, Dye I=MW/cm 2 Mode-Locking I=GW/cm 2 Az elektronikai és az optikai módszerek sebességének fejlődése. Optikai attoszekundumos impulzusok generálása. Exotikus fizika nagy intenzitások Másodlagosforrások - rövid hullámhosszú sugárzás, részecskegyorsítás. Relativistic and Ultra R Atto, zepto.?

39 The main parts of ELI ALPS Schematic of the main laser sources and amplification areas Schematic of secondary sources and target area

40 Primary and secondary sources of ELI-ALPS

41 A The CPA technique Compression Oscillator Stretcher Amplifier Compressor Attosec. targer chamber Gérard Mourou, Chirped-pulse amplification of 100-fsec pulses Maurice Pessot, Jeff Squier, Gerard Mourou, and Donald J. Harter Optics Letters, Vol. 14, Issue 15, pp (1989) Attosec. targer chamber HHG Attosec. source Gy. Farkas, F. Krausz, 1992, 2000

42

43 HELIOS 1 1 KHz, 4,3 mj, 31 fs SYLOS 1 1 khz, 30 mj, 10 fs

44 Femtosecond lasers Fényforrás: Regeneratív erősítő E imp =4,1 mj, τ =30-35 fs, λ= 800 nm f rep = 1kHz Tisztatér: részecskeméret > 0,3 µm 1 cf 3 (2,83 l) db Mérési összeállítás Vákuumkamra: ~10-6 mbar gázjet 1 Hz-es ismétlési frekvenciával fókuszálás f = 30 cm I 9, W/cm 2 E max 2, V/cm

45 Generation of attosecond laser-pulses on Ar-plasma-jet

46

47

48 Az attoszekundumos időtartam szemléltetése Extrém rövid időtartam: elektron atommag 1 attosec (=1/140 Bohr-körülforgási idő) Térben: d cτ = cm/s s = cm = 0,3 nanométer Az Attofizika találkozik a Nanofizikával!!! Új kísérleti eszköz az atom belső dinamikájának attoszekundumos időbeli, ill. nanométeres térbeli skálán történő felbontásához.

49 ATTOSZEKUNDUMOS IMPULZUSOK KELETKEZÉSE (BUDAPEST KFKI) A kibocsájtott harmonikusok frekvencia-spektruma: Intenzitás 2ω L plateau E spektrum az attoszekundumos impulzusok alapja ω k küszöb - Szokatlanul széles ω ~1000 ω L - A komponenseket a lézertér fázisban kötve rezgeti - Összelebegés várható frekvencia ~1000 ω L A periodikus frekvenciaspektrumból a Fourier-eljárás szerint időben ω L /2 szerint periodikus impulzusok sorozata következik, melyek időbeli hossza τ ~ 1/ ω. Időbeli alakjuk: n 0 +N-1 2 I(t) Σ exp[ i(2n+1)ωt ] = sin2 (Nω L t) n=n 0 sin 2 (ω L t) Intenzitás ~ Attosec Követési távolságuk: τ L /2 = fél lézer periódus. Félszélességük a plateaut tekintve: τ = 1/(2Nω L ); N=10-nél τ = 30 attosec. Az intenzitás: 1 µm 2 -re fókuszálva: W/cm 2 (Petawatt/cm 2 ) MTA SZFKI

50 ELI -related femto- and attosecond technologies Research Institute for Solid-State Physics and Optics (RISSPO) Budapest (the birthplace of attophysics interview with Prof. FARKAS ELI Courier, 1/2009)

51 Calibration of the mass sp. using Carbon foil Ion kinetic energy distr. of the C 2+ ion At low and high intensity Fragment of time-of-flight spectrum in the Neighborhood of m/z = 41,42 and 43 lines

52 Gy. Farkas, Phys. Rev. Lett. 43, 1243 (1979) Gy. Farkas, S. L. Chin et al. Opt. Comm. 48, 275 (1983) L. A. Lompré, G. Mainfray, C. Manus, Gy. Farkas, C. Toth, S. D. Moustaizis et al., Phys. Rev. A 46, R3605 (1992) Gy. Farkas and C. Toth, Phys. Lett. A 168, 447 (1992)

53 Magas-harmonikus keltés hatásmechanizmusa nemesgáz atomokon

54 Magas-harmonikusok keltése és spektroszkópiája ~ 10-6 mbar 2-3 mj fs Mérési összeállítás Vákuumkamra: ~10-6 mbar gázjet 1 Hz-es ismétlési frekvenciával fókuszálás f = 30 cm I 9, W/cm 2 E max 2, V/cm

55 Background 35 fs/4 mj/1 khz

56

57 Magas-harmonikusok keltése Ar gázáramon 3 bar Konverziós hatásfok és cut-off növelése THz-erősített felharmonikuskeltés megvalósítása (Balogh et al., Phys. Rev. A, 2011) Harmonikuskeltés Xenon klasztereken

58 Az atomok mozgásának tanulmányozása, 1999 Nobel-díj

59 Nagy időfelbontású pumpa-próba kísérletek rövid impulzusokkal

60 A kísérleti berendezések

61 Atomi átalakulások megfigyelése

62 Testing of dielectric gratins and meas. of opt. thres. 0, 25 µj (1 µj with cavity dumping) 50 fs 3.6 MHz MHz-range Ti:saphire laser 50 fs sub-µj-pulses DPSS pump laser Applications: testing of dielectric gratins in fs pulse regime measurement of opt. threshold P. Dombi, P. Antal, Laser Phys. Lett. 4, 538 (2007) P. Dombi et al., Appl. Phys. B 88, 379 (2007)

63 Roncsolási küszöb mérése Roncsolási küszöb függése az impulzushossztól SiO 2 -re (fused silica). 600 lövés 10Hz-es rátával, állandó foltintenzitás sűrűséggel [Stuart et al. Phys. Rev. B, 53, 1996] τ < 10ps Abláció Sokfotonos ionizáció Lavina ionizáció τ > 50ps Olvadás Forrás Töredezés Termikus effektusok

64 Roncsolási küszöb mérése Main parameters: Pulse energy 0.5 mj Spot size 10 µm (FWHM) Pulse duration 35 fs (FWHM) Rep. Rate 1 khz Intensity 125 J/cm 2

65 Roncsolási küszöb mérése Kráterméret Nagy osztás: 0.1mm Fókuszkeresés

66 Roncsolási küszöb mérése (Dielektrikum tükör, TiO 2 -SiO 2 24 rétegben, HR, 800nm, 45 fok, p-pol)

67 Roncsolási küszöb mérése Fölvétel sebessége: 250 fps 4 ms-onként Minden negyedik lövés!

68 Roncsolási küszöb mérése Fölvétel sebessége: 250 fps 4 ms-onként Minden negyedik lövés!

69 Roncsolási küszöb mérése

89 Roncsolási küszöb mérése UTOLSÓ

90 Amikor a termikus effektusok mégis számítanak A roncsoló nyaláb szóródása a felületi elváltozásokon: Érzékeny módszer tükörfelületek roncsolódásának kimutatására

91 Roncsolási küszöb mérések Fluence (J/cm 2 ) # of Tested Locations Locations with Damage Locations without Damage Exposure Sites Thorlabs: ME1-G01, Al mirror Peak Fluence (J/cm 2 )

92 Roncsolási küszöb mérések Fluence (J/cm 2 ) # of Tested Locations Locations with Damage Locations without Damage Exposure Sites Ag mirror Peak Fluence (J/cm 2 )

93 Védőréteggel bevont Al tükör (ME1-G01, Thorlabs) Felület analízis: ZYGO 3D felület vizsgálóval (fehér fényű interferométer)

94 Védőréteggel bevont Al tükör (ME1-G01, Thorlabs) Felület analízis: ZYGO 3D felület vizsgálóval (fehér fényű interferométer)

95 Dielektrikum tükör (Ferencz Kárpát) ZYGO 3D felület vizsgálóval

96 Phase modulated interferometric system Reference and measuring beams: Detector signal for each pixel (XY): ( ) ( ) ( ) ( ) y x i M M y x i R R M R e y x A E e y x A E,,,, ϕ ϕ = = ( ) ( ) [ ] [ ] ( ) R M R M M R i M i R i M i R M R M R D A A A A e A e A e A e A E E E E I M R M R ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ + + = = + + = + + = cos MINTA Optikai felületek minősítése Piezodriver Control Unit PC Stabilization Laser Surface to be tested

97 Interferometry for surface diagnostics Stabilization of the laser Stabilization by Lamb dip Stabilization by the difference of the intensity of two modes I I I I ν 0 ν ν 0 ν

98 Optikai felületek minősítése

99

100 Optikai felületek minősítése Interferometric surface diagnostics instrument Light source - frequency stabilised He-Ne laser, 2mW; Transversal resolution - ~ 1 nm; Field of view 500 x 500; 300 x 300; 100 x 100 micron; Compensation of phase distortion; Fringe distance L =316,4250 nm; Phase detection resolution 0,6180 nm; Phase shift continuous 0-2π; IF-2 evaluation software

101 Optikai felületek minősítése

102 Interferometry for vibration analysis Phase sensitive detector system Measuring arm Reference arm

103 Interferometry for vibration analysis D 1 Phase detection of friges Patent No D 3 λ/2 I D 3 D 2 D 2 λ/4 D 1 t

104 Vibráció mérés interferometrikus módszerrel

105 Fényszórás-mérő berendezés

106 3Ds Felületvizsgáló interferométer

107

108 wd50 neutronvezető membrán PDMSorganikus polimer

109 wd50 neutronvezető membrán

112 Optical coating thechnology Optical coating laboratory with Balzers 1000 equipment, development of chirped laser miroors

113 Development of the first chirped laser mirrors invention and technological development of "chirped" dielectric laser mirrors (R. Szipőcs, 1993) shortest laser pulses (4.5 fs) was generated by a Ti:sapphire system utilizing chirped mirrors for dispersion compensation

114 Optical coating technology Optilab Kft. II. ELI-PP Szimpózium, február

115 Optical coating technology DENTON Integrity 36 equipment Optilab Ltd. II. ELI-PP Szimpózium, február

116 Optical coating technology DENTON INTEGRITY 36 Optilab Kft. II. ELI-PP Szimpózium, február

117 Optical coating technology and development of special optical layers

118 Development of laser measurement systems and instruments

119 Developed instruments

120 Developed instruments

121 Testing of the optical homogenity of optical elements

122 Co-operations R &DUltrafast Lasers Scientific Technical Development Ltd. Co. OPTILAB Ltd.

123 Résztvevők: Krausz Ferenc, Farkas Győző, Dombi Péter, Ferencz Kárpát, Szipőcs Róbert, Tóth Csaba, Lenner Miklós, Horváth Zoltán, Nagy Attila, Oszetzky Dániel, Kerekes Attila, Kugler Szilvia, Kovács László, Veres Miklós, Tóth Sára, Koós Margit, Rácz Péter, Nagy Benedek, Kerekes Attila, Himics László, Rigó István

124 KÖSZÖNÖM A FIGYELMET IV. ILAS TATABÁNYA