Attoszekundumos impulzusok keltése és alkalmazásai

Átírás

1 ELI-vel kapcsolatos tudományterületek Attoszekundumos impulzusok keltése és alkalmazásai Varjú Katalin /53 SZEGED 2/53

2 attoszekundum ( -8 s) miért? hogyan? mire? 3/53 Mire jó egy ultrarövid (fs, as) impulzus? Rövid: gyors folyamatok vizsgálata (pillanatfelvétel) Koncentrált adott energia esetén nagyobb a teljesítmény 4/53

3 Rövid impulzus nagy intenzitás ) nagy teljesítmény/intenzitás eléréséhez csökkenteni kell az impulzushosszat 2) az impulzushossz csökkentéséhez növelni kell a keltő impulzus intenzitását VR:,3 PW 8 as 5/53 Gyors-fényképezés A labda bemozdul 6/53

4 Bohr modell T orbit ~ 5 as Gyors folyamatok szem, fül mechanikus óra lézer stroboszkópos fényképezés as -8 s fs -5 s ps -2 s ns -9 s µs -6 s ms -3 s s 3 s Femto-kémia Zewail, lézer 6 s emberöltő 9 s Univerzum 2 s 5 s 8 s 878 E. Muybridge gyorsfényképezés 7/53 Mozgás/változás követése Lassú folyamatok Szem feloldása: 25 képkocka másodpercenként s =,4 s 25 = 4 ms Gyors folyamatok 8/53

5 Az első mozgókép 878 Muybridge, Palo Alto Track felvétel expozíciós ideje: 2 s =,5 s =,5 ms 9/53 A sebesség megjelenítése: pillanatfelvételek sorozata s = µs Harold Edgerton, 935 stroboszkópos felvételek fast changes in the electron cloud around a krypton ion s = ns /53

6 Idő fagyasztási technikák 878 E. Muybridge mechanikus zár: ms elektronikusan szinkronizált vaku: µs-ns 937 H.E. Edgerton A. Zewail, 999 lézeres pumpa-próba: ps fs as /53 Pumpa-próba eljárás időzítés rövid vaku µm fs,3 = 3µm fs próba pumpa A. Zewail, 999 2/53

7 Karakterisztikus idők fs fs Elektron jelentőssége: fény emisszió biológiai jelek továbbítása Krausz, Ivanov, RevModPhys 8 63 (29) kémiai kötések manipulálása jel-feldolgozás sebessége 3/53 attoszekundum ( -8 s) miért? hogyan? alkalmazások 4/53

8 Mitől különleges egy ultrarövid impulzus? végtelen hullám (CW continous wave): E( t) = E sin( ωt) rövid impulzus: több (szinkronizált) módusból áll E( t) = E sin( ωt) e t T 2 5/53 YAG 532 nm τ = ns, Nagy sávszélesség? 4ln 2 ω = = 2,77 τ 7, fs c ωl = 2π = 3,5 λ fs Ti:S 8 nm világrekord Ti:S 8 nm 4ln 2 c τ = 2 fs, ω = =,23, ωl = 2π = 2,356 τ fs λ 4ln 2 c τ = 3,8fs, ω = =,73, ωl = 2π = 2,356 τ fs λ fs fs attoszekundumos GHHG (q c =2) 4ln 2 c τ =,7fs, ω = = 6,3, ωl = 2π = 47 τ fs λ fs ω l 6/53

9 Chirp ha a komponensek nem egyszerre érkeznek: - hosszabb impulzus -időben változó frekvencia 7/53 Hogyan lehet az impulzus hosszát csökkenteni? min: Fourier limit 4ln 2 τ = ω 8/53

10 Impulzushossz csökkenése ps módusszinkronizálás Q-kapcsolás ps fs diszperziókompenzálás lézer-anyagok fs fs as HHG új fizika! Idő 9/53 I( t) Pl. Self Phase Modulation 2 t I exp τ = 2 & n( I) = n + n2i Impulzus kompresszió: sávszélesség növelése φ () t = ω t n( I() t ) 2πL λ dφ 2πLn ω( t) = = ω dt λ 2 di dt dφ 4πLn2I ω ( t) = = ω + 2 dt λ τ t 2/53

11 2/53 Breaking the femtosecond barrier Corkum: Opt. Phot. News 6, 8 (995) optikai hullámhossz, 8nm 3,8 fs,,5 periódus Schenkel: Opt. Lett. 28, 987 (23) XUV - röntgen tartomány, sávszélesség, koherens (nincs erősítő közeg) nemlineáris folyamat: stimulált Raman szórás magasrendű harmonikus keltés Thomson szórás 22/53

12 Attoszekundumos ( -8 s) impulzusok Lézer elven kelthető legrövidebb impulzus: 3,8 fs. DE a nagy intenzitású, femtoszekundumos lézerimpulzus felhasználható attoszekundumos impulzusok keltésére. A lézer kedvező tulajdonságainak átörökítése nagy sávszélességű, magasabb központi hullámhosszú tartományba: nemlineáris kölcsönhatás révén XUV-röntgen 8 fs ~ as világrekord: 8 as 23/53 Attoszekundumos impulzus keltés Gáz harmonikus keltés Plazma / felszíni harmonikus keltés Thomson-szórás 5- nm Other... 24/53

13 Nagy intenzitás? Elektromos tér? e atomi elektron: E( r) = 2 r m 4πε r V E m a fény e-m hullám, mekkora az elektromos térerősség? intenzitás = teljesítménysűrűség = Poynting vektor ( µm) =, W I = 3,5 mj 2 fs cm I = S = 2µ E B max max 2 = ε ce 2 max E max = I ε c 2 V m 25/53 Gáz magas harmonikus keltés (GHHG) perturbatív Nagy intenzitású femtoszekundumos lézerimpulzus > 4 W/cm 2 nemes gáz atomok plató levágás (cut-off) Ferray, JPhysB, 2, L3 (988) széles sávú XUV attoszekundumos impulzus sorozat Farkas, Tóth: Phys. Lett. A 68, 447 (992) Energy Time 26/53

14 Gáz magas harmonikus keltés (GHHG) I alagút effektus E kin +I p E kin II lézer térben kényszerrezgés III rekombináció, foton kibocsátás Schafer, PRL, 7, 599 (993) Corkum, PRL, 7, 994 (993) Félklasszikus leírás: Az atomot a kvantummechanika segítségével írjuk le, de az elektromágneses mező hatását (a nagy foton-sűrűség miatt) klasszikus fizikai elvek szerint vesszük figyelembe. 27/53 Elektron lézertérben A lézertérben az elektron gerjesztett rezgőmozgást végez. átlagos mozgási energiája függ az e-m tér intenzitásától E( t) = E sin( ωt) F = ee = mx & Pl. 2 4 W/cm 2, 8nm U p =2 ev cf. I p =-2 ev (nemesgázok) hν=,55 ev 28/53

15 Szabad elektron a lézer terében: klasszikus leírás E( t) = E sin( ωt) v = at ee x( t) = 2 mω t i F = ee = mx & [ sin( ωt) sin( ωt ) ω( t t )cos( ωt )] i i i analítikus megoldás, az elektron visszatérhet 2, csak bizonyos ionizációs idő esetén tér vissza 3, a lézertértől nyert energia (~ sebesség négyzete ~ pálya érintője) az ionizációs időtől függ. 29/53 A visszatérő elektron energiája e x& = E sin( ωt) m ee & x t) = [ sin( ωt) sin( ωt ) ω( t t )cos( ωt )] ( 2 mω i i i 3,7 U p 3/53

16 Következmények (klasszikus) Harmonic order Short Trajectory Cut-off Long Trajectory Return time (cycles) E = 3, 2 max kin U p max h ν = I p + 3, 2 U p Time (as) 3/53 Periodicitás Mivel a fotonkibocsátás minden félperiódusban (a gáz izotróp) megismétlődik (időkép), a spektrumban 2ω távolságokban elhelyezkedő csúcsokat találunk. 32/53

17 Miért a páratlan felharmonikusok? A rendszer szimmetriája miatt (atom) a folyamat T/2 periódussal ismétlődik, vagyis a spektrum 2ω ismétléssel rendelkezik. (És természetszerűnek tűnik, hogy az ω komponenst tartalmazza...) ω.5 3ω Kioltás Erősítés 33/53 A harmonikus sugárzás időbeli alakja Spektrum Nem attoszekundumos impulzusok!! 34/53

18 35 fs, mj, 8 nm Attoszekundumos impulzusok: kísérleti megvalósítás Harmonikus keltés Ar Szűrés/kompresszió Al-szűrő Írisz Atto impulzus sorozat Aluminum López-Martens et al. PRL, 94, 33 (25) 35/53 Attoszekundumos forrás fejlesztése:, magasabb fotonenergia elérése ( water-window ) 2, magasabb fotonszám (konverziós hatásfok, fázis-illesztés) 3, formálható impulzus 4, izolált impulzus (cutoff, time-gate, depletion) 36/53

19 Fotonenergia (cutoff: I p +3,2 U p ), lézer intenzitás növelése korlát: a közeg ionizációja miatt romlik a fázisillesztés, és a közeg kimerül lehetőség: nagyon rövid impulzusok, kvázi-fázisillesztés 2, lézer hullámhosszának növelése korlát: lézer technológia probléma: a keltés hatásfoka λ -(5-6) 3, ionizációs potenciál növelése (ionok használata) probléma: fázisillesztés 37/53 Izolált attoszekundumos impulzus 38/53

20 Intenzitás-kapu Brabec et al., 999 intensity [counts counts] 25 as photon energy [ev] A. Baltuska: Nature 42, 6 (23) M. Hentschel et al., Nature 44, 59 (2) τ = 5 fs, CEP-stabilizált a cutoff spektrális szűrése kis intenzitás kis sávszélesség (impulzushossz) 39/53 Ellipticitás-kapu Budil et al., PRA 48, R3437 (993) multiple order λ/4 Sansone, Science 34 (26) 4/53

21 Attoszekundumos impulzus keltés Gáz harmonikus keltés Plazma / felszíni harmonikus keltés Thomson-szórás 5- nm Other... 4/53 Plazma-tükör 42/53

22 2 mechanizmus 43/53 Koherens Thomson szórás Relativisztikus Doppler eltolódás β = v/ c ~ β 2 + β 4γ Sűrű, relativisztikus sebességgel repülő elektron-lap létrehozása (pár nanométer vastagságú fóliából) V. V. Kulagin et al., Phys. Rev. Lett. 99, 248 (27). H.C. Wu, J. Meyer ter Vehn, et al. Phys. Rev. Lett.4, 2348 (2). Szükséges lézerimpulzus: ultra-nagy kontraszt (< 2 ) ultra-nagy intenzitás 9 2 W/cm 2 (ELI-ALPS) 44/53

23 attoszekundum ( -8 s) miért? hogyan? alkalmazások 45/53 Impulzus-alak: sávkamera-analógia Krausz, Ivanov, RevModPhys 8 63 (29) 46/53

24 optical-field-driven streak camera lézer térerősség vektorpotenciál elektron momentum p(t 7 ) p(t 6 ) elektron eloszlás p(t 5 ) p(t 3 ) impulzus időbeli alakja p(t 2 ) p(t ) -5 as 5 as time Itatani: PRL 88, 7393 (22) Kitzler: PRL 88, 7394 (22) 47/53 A fényhullám megmérése Gouliemakis et al. Science 35, 267 (24) 48/53

25 Molekula-tomográfia magasrendű harmonikusok keltése molekulákban a visszatérő elektron az iontörzsön szóródik elektron-eloszlás -> ionok elhelyezkedése N 2 Itatani: Nature 432, 867 (24) 49/53 Auger-folyamat vizsgálata Az M-héjon létrejövő lyuk élettartama 8 fs. Drescher, Nature (22) 5/53

26 Attoszekundumos röntgen diffrakció Kristálytani analógia Atomi rendszerek elektroneloszlás dinamikájának megfigyelése. Hidrogén atom S-2P állapotok szuperpozíciójában. Krausz, Ivanov, RevModPhys 8 63 (29) 5/53 Ne ionizációja 2s illetve 2p pályáról: a 2p foto-elektron 2±5 as-ot késik a 2s foto-elektronhoz képest. XUV Ne e - Schultze, Science (2) 52/53

27 53/53