Nagyenergiájú és ultra rövid impulzusú lézernyalábok és diagnosztikája Dr. Hámori Krisztián RK Tech Kft. Budapest, 2018.03.19. 1
Tartalom Mi a fény? Hőmérsékleti sugárzás Fotoeffektus A fény kettős természete Fényforrások csoportosítása Lumineszcencia, mint a fénykibocsátás másik formája Kutatásban gyakran használt speciális fényforrások A lézerek működési elve Lézerek csoportosítása Lézernyaláb jellemzői, és azok mérése: Elektronikus diagnosztika Spektrális diagnosztika Térbeli nyalábdiagnosztika Időbeli diagnosztika Lézerek felhasználása a gyakorlatban ELI-ALPS 2
A fény Fizikai értelemben a fény elektromágneses sugárzás (azaz energia), amely a térben elektromágneses hullámként terjed. 3
Hőmérsékleti sugárzás A testek minden T > 0 K hőmérsékleten elektromágneses sugárzást bocsátanak ki. (A test töltött részecskéinek hőmozgásából ered. elektromágneses indukció) Belső energia Elektromágneses energia Modellezés: feketetest-sugárzás (abszolút fekete test hőmérsékleti sugárzása) Fekete test: olyan idealizált test, amely hullámhossztól függetlenül minden elektromágneses sugárzást elnyel. 4
Kirchoff-féle sugárzási törvény (1859): bármely testnél egy adott hullámhosszon és hőmérsékleten a spektrális emisszió- és az abszorpcióképesség hányadosa állandó: Stefan-Boltzmann törvény: Jozef Stefan (1879): a feketetest által az összes hullámhosszon kisugárzott energia arányos az abszolút hőmérséklet negyedik hatványával. Ezt később elméleti úton magyarázta meg Ludwig Boltzmann. 5
Stefan-Boltzmann törvény: MÁS ALAKBAN: Ez alapján a kisugárzott energia FOLYTONOS! 6
XX. század eleje - Kísérleti tapasztalatok: A kisugárzott/elnyelt energia nem minden esetben folytonos!!! (KVANTÁLT) Ellentmondás feloldása: Planck-féle sugárzási törvény Hipotézis1: Az energia nem vehet fel tetszőleges folyamatosan változó, csak az alábbi diszkrét értékeket: ɛ, 2 ɛ, 3 ɛ, n ɛ Hipotézis2: Az adott elemi részecskék energiája ugrásszerűen változik, a fenti energiaszintek között, minden, a két szint közötti energiát kisugározva/elnyelve. 7
A sugárzó energia emissziója vagy abszorpciója tehát elemi adagokban - energiakvantumokban következik be. Ez az energiakvantum arányos a kisugárzott vagy elnyelt rezgés frekvenciájával: Megjegyzés1: Ezeket az energiacsomagokat fotonoknak nevezzük. Megjegyzés2: kisebb hullámhossz nagyobb energia 8
FOTOEFFEKTUS 1887, Hertz: fémelektródok között fellépő szikrakisülést (e -ok) az UV fény elősegíti. 1888, Hallwachs Sztoljetov: az ultraibolya sugarak fémlapból negatív töltést szabadítanak ki. 1898, Lénárd és Thomson: megmérték a fémből fény hatására emittált részecskék fajlagos töltését (e/m). A kilépő részecskék elektronok. Nobel díj, 1905 Katódsugárzás vizsgálatáért 9
A fotoelektromos hatást Albert Einstein magyarázta meg 1905- ben, amiért megkapta a Fizikai Nobel-díjat (1921). (Megjegyzés: - speciális relativitáselmélet (csak inerciarendszerekre) 1905; - általános relativitáselmélet (gyorsuló rendszerekre is - azaz minden rendszerre való kiterjesztés) 1915 - Nincs Nobel-díj!) Fontos tények: - Bizonyos hullámhossz felett nem tapasztalható - A jelenség bekövetkezése független az intenzitástól Magyarázat: Az elektron kötve van a fémben. Ahhoz, hogy kilépjen belőle, energiára van szüksége kilépési munka. Az UV fotonnak nagy az energiája (alacsonyabb hullámhossz) 10
Fénytörés, teljes visszaverődés Teljes visszaverődés: 11
Interferencia pl. optikai rácson 12
OPTIKAI RÁCS Olyan hullámhosszfüggő optikai elem, amelyben valamilyen fénytani jellemző periodikusan váltakozik és ez a váltakozás beleesik a fény hullámhosszának mérettartományába. Transzmissziós optikai rács Reflexiós optikai rács Holografikus rács: Holografikus litográfia segítségével készül. Fényérzékeny minta készítése Exponálás Előhívás 13
Azonos fázis maximális erősítés Ellentétes fázis maximális gyengítés (akár kioltás) Erősítés: Gyengítés: 14
(előző oldalról) (k = 1 esetén) Adott rács (d) és optikai elrendezés (L) esetén x a hullámhossztól (λ) függ. 15
Hőmérsékleti sugárzás Fotoeffektus Részecsketermészet Elhajlás Törés Interferencia Hullámtermészet A fény az elektromágneses sugárzás kettős tulajdonságokat mutat. 16
Fényforrások csoportosítása 1 17
Néhány érdekes spektrum 18
IR fényforrások 19
Másik IR fényforrás 20
Lumineszcencia, mint a fénykibocsátás másik formája Nem termikus eredetű Atomi vagy molekuláris rendszer valami miatt gerjesztett állapotba kerül. Legerjesztődéskor fényt bocsát ki. Biolumineszcencia élő organizmusoktól Kemolumineszcencia kémiai reakciókból Elektrokémiai lumineszcencia elektrokémiai reakciókból Elektrolumineszcencia áram által okozott Katódlumineszcencia elektronsugár által létrehozott Fotolumineszcencia fény abszorbeálása után keletkező Fluoreszkálás abszorpció után azonnali fénykibocsátás Foszforeszkálás abszorpció után késleltetett fénykibocsátás Radiolumineszcencia ionizálás hatására keletkező fénykibocsátás Termolumineszcencia hő hatására keletkező fény az abszorbeált fényből Cserenkov-sugárzás gyorsuló töltések elektromágneses sugárzást bocsátanak ki, melynek van látható fény része is. 21
Bohr-féle atommodell Az atomban az elektronok csak meghatározott körpályákon keringhetnek az atommag körül és ezekhez a pályákhoz diszkrét energiaértékek tartoznak. Eközben az atom nem sugároz. Két elektronpálya közötti átmenet foton kisugárzásával vagy elnyelésével jár együtt. Az elnyelt vagy kisugárzott foton energiája egyenlő az energiaszintek különbségével. Következmény: csak meghatározott hullámhosszú (energiájú) fotont bocsát ki vagy nyel el. 22
Példa gázok vonalas emissziós spektrumai 23
24
kemolumineszcencia elektrolumineszcencia Cserenkov sugárzás Sarki fény 25
Elsődleges fényforrások: Fényforrások csoportosítása 2 TERMÉSZETES Nap Gyertaláng Szentjánosbogár Sarki fény MESTERSÉGES Izzó Halogén LED Fénycsövek Lézer Másodlagos fényforrások: HOLD tükrök 26
Kutatásban használt fényforrások: Nagyteljesítményű LED (Light Emitting Diode) Lézerdiódák A diódára kapcsolt áram gerjeszti a félvezető elektronjait. Legerjesztődéskor fényt bocsát ki. A fény színe a félvezetők összetételétől függ. Sávszélesség néhány 10 nm. Fehér LED Kék LED 2014 Nobel díj 27
Szolár szimulátor UV UVA: 320 400 nm UVB: 280 320 nm UVC: < 280 nm VIS: 400 720 nm IR: 720 nm - 1000 µm A Nap légköri spektruma: 200-2500 nm, 96.3% a teljes intenzitásnak; a maradék magasabb hullámhosszakon. 28
Fotokémiai reakciók Anyagvizsgálat Napelemcellák vizsgálata 29
Spektrális egyezés Térbeli egyenletesség Időbeli stabilitás Class A Class B Class C Spektrális egyezés 0.75 1.25 0.6 1.4 0.4 2.0 Térbeli egyenletesség Időbeli stabilitás <2% <5% <10% < 0.5% STI < 2% LTI < 2.0% STI < 5.0% LTI < 10.0% STI < 10.0% LTI 30
31
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (fényerősítés/kibocsátás stimulált emisszióval) Időben és térben koherens - a lézer által kibocsátott hullámok fázisa a sugár minden keresztmetszeténél azonos Keskeny és nagyon kis széttartású (divergenciájú) Az energiája kis térrészben koncentrálódik nagy teljesítménysűrűsége Monokromatikus nyaláb Legtöbb esetben polarizált nyaláb, azaz kibocsátott hullámok mágneses mezejének iránya állandó Lézer a megoldás, ami még problémát keres. 32
Mérföldkövek a lézerek történetében 1916 Albert Einstein: stimulált emisszió alapelve 1924 Van Vleck: stimulált emisszió kifejezés 1924 Richard Tolman: erősítés stimulált emisszió segítségével ötlete (Phys. Rev. 23, June 1924) 1928 Rudolph W. Landenburg: Stimulált emisszió kísérleti bizonyíték 1940 Valentin A. Fabrikant: Populáció inverzió lehetőségének felvetése 1946 Felix Bloch, W. W. Hansen, Martin Packard (Stanford University): NMR-kísérlet - első publikált populáció inverzió! fizikai Nobel-díj: 1952 1951 Charles H Townes (Columbia University): első MASER (Phys. Rev. 95, 282, 1954, Phys. Rev. 99, 126, 1955.) MASER: Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (szkeptikus kollegái: Means of Acquiring Support for Expensive Research) 1960 Theodore Maiman (Hughes Research Laboratories): első működő rubin lézer; (Nature, 187, 493, 1960) 1961 Első kereskedelmi forgalomban kapható lézer (orvosi alkalmazás)
A lézerek és a Nobel-díj 1947 Gábor Dénes: holográfia alapelve; kivitelezés lézerekkel Nobel-díj: 1971 1951 A. Prokhorov, Ny. Basov (Lebegyev L., Moszkva). C. Townes (MIT): MASER megépítése Nobel-díj (1964) 1963 Z. Alferov: fizikai Nobel-díj (2000) (megosztva) miniatűr félvezetőlézerekért (1963) 1981 A. Schawlow és N. Bloembergen: fizikai Nobel-díj nemlineáris optikáért és lézer-spektroszkópiáért 1980 S. Chu, C. Cohen-Tannoudji, W. D. Phillips: atomok lézeres hűtése, fizikai Nobel-díj: 1997 1999 A. Zewail (California Institute of Technology) kémiai Nobel-díj kémiai reakciók fs-os lézeres követéséért 2002 K. Tanaka: kémiai Nobel-díj MALDI (Matrix-Assited Laser Desorption/Ionisation)
Stimulált (kényszerített) emisszió (Einstein, 1917; van Vleck 1922): A gerjesztett állapotban lévő atomhoz megfelelő frekvenciájú foton érkezik. Ekkor két azonos frekvenciájú, fázisú és irányú foton halad tovább. Ezek képesek további stimulált emisszióra. Ha ez a foton azonban nem gerjesztett állapotú atomot talál el, akkor elnyelődik. NINCS stimulált emisszió! 35
A lézer feltétele, hogy a stimulált emisszió elnyomja a spontán emissziót! DE termikus egyensúlyban az energiaszintek betöltöttsége Boltzmann-eloszlást követ, azaz az alacsonyabb energiaállapot mindig sokkal jobban be van töltve, mint a magasabb állapotok. Így a stimulált emisszió elhanyagolható. Megoldás: POPULÁCIÓ INVERZIÓ Az a metastabil helyzetet, amikor több elektron van a magasabb energiájú állapotban, mint ahány az alacsonyabb energiaszinten. 36
Három (négyszintes) működési séma: PÉLDA: Ti:Sa lézer abszorpciós- és emissziós spektruma 37
Lézeraktív közeg szilárdtest (kristály) gáz (HeNe, excimer, CO 2 ) folyadék (festék) Rezonátor lézerfény erősítéshez szükséges optikai üreg Gerjesztő eszközök villanólámpa másik lézer nagyfeszültség A végtükrök távolsága nagyon pontos kell legyen! A kicsatolótükör vagy részben áteresztő, vagy Q-kapcsolt a rezonátor. 38
Lézerek osztályozása 1. Lézeraktív anyag szerint: Szilárdtest lézerek (Dióda, Nd:YAG, Nd:YLF) DPSS lézer Gázlézerek (He-Ne, Ni, CO2, Excimer) Festéklézerek Szállézerek 2. Üzemmód szerint: Folytonos CW Countinuous Wave Impulzus üzemmódban működő lézerek Pulse Mode (Q-kapcsolt lézerek) Q-kapcsolás: kapcsoló a rezonátorban, ami a lézerműködést megakadályozza, akkor jelentősen nő a populációinvezió. Kinyitjuk a kapcsolót Rövid, nagy energiájú lézerimpulzus 39
Q-kapcsolás megvalósítása 1 1. Forgó tükör csak a tükör bizonyos állásánál működik a lézer (hátrány: lassú) 2. Elektrooptikai (Pockels cella) a beépített kristályra feszültséget kapcsolva változtatni tudjuk a polarizációt, így a visszavert fény nem jut át a polarizátoron. Ha kikapcsoljuk a feszültséget, nem változik a polarizáció, és működik a lézer. 40
Q-kapcsolás megvalósítása 2 3. Akusztooptikai (AOM) az üveghasábba rádiófrekvenciás jellel ultrahangot csatolunk. Az üvegben így kialakuló akusztikus hullámok periodikus törésmutatóváltozást idéznek elő. Ez diffraktálja a a rezonátorban terjedő fényt, így nagy lesz a veszteség, és nem működik a lézer. Ha lekapcsoljuk a rádiófrekvenciás jelet, beindul a lézer. 41
Nyaláb jellemzők Divergencia: Terjedése során változik a kiterjedése, nő a nyalábfolt Energia stabilitás: Energia (impulzus) mérése több órán át.
Nyaláb jellemzők Iránytartási stabilitás: Időben a nyalábirány változik Térbeli grafikon: Spitfire ACE 24 órán keresztül mért nyaláb stabilitása Időbeli grafikon Mai Tai DeepSee 70 órán keresztül mért nyaláb stabilitása
Nyaláb jellemzők Iránytartási stabilitás hullámhossz függése: Hangolható lézerek esetében Nyalábprofil X tengely irányában Y tengely irányában készült metszetek Pointing (mrad) 60 50 40 30 20 10 0 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 Wavelength (nm) Aszimmetrikusság, Térerősség profil, Asztigmatizmus forró foltok stb.
Nyaláb jellemzők Impulzusenergia stabilitás lövésről lövésre: Impulzusüzemű lézerek esetében Energiastabilitás környezeti hőmérséklet változásra:
Ultragyors lézerek Ultragyors lézerek: ps vagy rövidebb impulzusú lézerek A nemlineáris optika az optika azon területe, ami a fény viselkedését írja le nemlineáris közegben. Nemlineáris közeg: Olyan közegben, amiben a polarizáció nemlineárisan függ a fény elektromos mezejétől. Ez a nemlineárisság általában nagy fényintenzitás esetén figyelhető meg, tipikusan lézer impulzusoknál. Az ultarrövid lézerimpulzusok esetén az teljesítménysűrűség nagy nemlineáris optikai jelenségek Fénycsomag mérete 1 ps impulzus esetén: x = 3*10 8 * 10-12 = 3*10-4 m = 0,3 mm 100 fs esetén: 0,03 mm 10 fs esetén: 0,003 mm = 3 µm 46
fs Ti:Saoszcillátor: Tipikus végeredmény: néhány nj; 3 W; 100 fs; 80 MHz fs Ti:Sa erősítő: Tipikus végeredmény: 7-14 mj; 7-14 W; 1-10 khz; 35-100 fs 47
48
Lézerdiagnosztika 1. Elektronikus: átlagteljesítményének (energiájának) mérése elektronikus eszközök segítségével (fotodióda, thermopile detektor) 2. Spektrális: nyaláb spektrális eloszlásának mérése (spektrométer) 3. Térbeli: nyaláb térbeli teljesítmény-eloszlásának, nyaláb iránystabilitásának vagy a nyalábprofil mérése (pozícióérzékeny detektorok, nyalábprofilmérők, hullámfront szenzorok) 4. Időbeli: teljesítmény időbeli stabilitásának vagy a lézerimpulzus hosszának mérése (teljesítménymérők, autokorrelátorok, FROG), diszperziómérés 49
1. Teljesítmény/energiamérés 1) P átl = 3 W, t = 100 fs, f = 80 MHz 2) E 0 = 6 mj, t = 100 fs, f = 1 khz E 0 impulzusenergia: Egy impulzusban közölt energia. P 0 csúcsteljesítmény: Egy impulzusban közölt energia / impulzushossz P átl átlagteljesítmény: Impulzusenergia * ismétlési frekvencia 1) E 0 = 3W / 80 MHz = 37.5 nj P 0 = 37.5 nj / 100 fs = 375 MW 2) P átl = 6 mj * 1 khz = 6 W P 0 = 6 mj / 100 fs = 6 * 10 10 W = 60 GW Kitöltési tényezők: 1) 8*10-4 % 2) 10-8 % 50
1. Teljesítmény/energiamérés Fotoelektromos detektor (fotodióda): fotoeffektuson alapul A beérkező foton vezetési sávba gerjeszti az elektront. Elektromos tér hatására ezek mozognak és mérhető elektromos áramot hoznak létre. Az áram nagysága arányos a beeső fotonok számával. Termikus (thermopile) detektor: Hőelektromos hatáson alapul Két, különböző vezetőből álló áramkörben hőelektromotoros feszültség jelenik meg, ha a vezetők illesztései különböző hőmérsékleten vannak. A feszültség arányos a hőmérsékletkülönbséggel. 51
2. Spektrális diagnosztika 52
Miért van rá szükség, ha a lézer monokromatikus? Az Nd:YAG biztosan 1064 nm-en fog működni, a CO2 pedig 10600 nm-en. Ezt kár lenne mérni. 53
1. Léteznek hangolható lézerek (lásd Ti:Sa). Bár ma már szoftveresen tudható a hullámhossz a réspozícióból. (De ezt néha nem árt ellenőrizni.) 2. Az impulzus időbeli alakja és a spektruma között a Fouriertranszformáció teremt kapcsolatot. Ebből következően az impulzus τ p időtartama és a Δω p =2πΔν p spektrális sávszélessége nem változtatható egymástól függetlenül. (A spektrális sávszélességből ismerve a függvényalakokat megbecsülhető az impulzushossz.) 3. Könnyen ellenőrizhető, hogy van-e pulzálás. 54
3. Pozícióérzékeny detektorok nyalábpozíció mérése 1. Kvadráns detektor: A detektor négy negyedre van osztva. Mindegyik részben külön mérjük a ráeső fény hatására kialakult áramot. A nyaláb elmozdulását a négy kvadráns áramának megváltozásából számíthatjuk. 2. CCD vagy CMOS kamera Pixelmátrix Pixelenként ismerjük a beeső fény intenzitását. Az intenzitás-középpontot a tömegközéppont analógiájára határozzuk meg. 55
Nyalábprofil és divergencia mérése Nem az intezitás-középpont helyzetét vizsgáljuk, hanem pixelenként kiolvassuk a mért intenzitást. Divergencia: két különböző távolságban nyalábméret Nyaláb széle: ahol az intenzitás 1/e 2 -re csökken. 56
Shack-Hartmann hullámfrontszenzor Az optikai elemeken végighaladva a hullámfront torzulhat az ideálishoz képest. Mikrolencséből álló mátrix Fókuszsíkjában CCD vagy CMOS. A lencsék fókuszfoltja akkor esik a mikrolencsék optikai tengelyére, ha a hullámfront pont merőleges a tengelyre. A hullámfront lokális dőlésszöge eltolja a lencsék fókuszfoltját ebből a középhelyzetből. A kapott elmozdulásokból pedig a hullámfront meredeksége kiszámolható. 57
DEFORMÁLHATÓ TÜKÖR 58
4. Teljesítmény/energia időbeli stabilitása 59
Autokorrelátor Az impulzust csak annál rövidebb időskálájú eszközzel mérhetjük NINCS! Az impulzus önmagával korreláltatjuk, és a kapott autokorrelációs függvényből becsüljük az impulzushosszt. Michelson interferométeren alapul 60
FROG (1991) SWAMP Optics Grenouille egyszerűsített FROG Vékony SHG kristály + spektrométer (FROG) Vastag SHG kristály (Grenouille) Frequency Resolved Optical Gating Az ultrarövid impulzusok komplett karakterizációját lehetővé tevő technika: Impulzusparaméterek (energia, impulzushossz) Időfüggő elektromos mező Optikai spektrum Frekvenciafüggő spektrális fázis. 61
CEP mérés CEP (Carrier-envelope phase) vivő-burkolófázis Széles impulzus nagyszámú vivőhullám 62
Diszperzió és annak kompenzációja Ultrarövid impulzusú lézerek spektrális sávszélessége nem nulla. Az optikai tulajdonságoknak (pl. törésmutató) van hullámhossz-függése, azaz egy lézerimpulzusban a különböző hullámhosszú összetevők másképp viselkednek az optikákon áthaladva kromatikus diszperzió Az alacsonyabb hullámhosszak késnek a nagyobb hullámhosszakhoz képest. Ez az impulzus kiszélesedéséhez vezet, amely ilyen rövid impulzusoknál nem elhanyagolható. 63
Megoldások: Csörpölt (chirped) tükrök (magyar szabadalom): Olyan tükrök, amelynél az ultrarövid lézerimpulzusok diszperziója passzív módon szabályozható. Több, különböző anyagú, átlátszó optikai vékonyréteg bevonat. A rétegek vastagsága nem állandó, hanem megfelelően változik, így a különböző hullámhosszal rendelkező spektrális komponensek más-más mélységig hatolnak be, így eltérő késést szenvednek. 64
Kompenzáció fényútba helyezett prizmával Pr2 és Pr3 manuálisan (automatikusan) állítható 65
Automatikus előkompenzáció Ha ismerjük az optikai elrendezést, meghatározható a diszperzió mértéke. Ekkor egy ekkora mértékű, de ellenkező előjelű (negatív) diszperziót hozunk létre, még az optikák előtt. Így a fényút végén a megfelelő nyaláb érkezik a kísérlethez. Automatikus: szoftveres állíthatóság a hangolható hullámhossz függvényében. 66
ELI-ALPS MIR lézerrendszer közép-infravörös lézer 3100 nm 67
ELI-ALPS HR lézerrendszer 100 khz-es, nagy ismétlési frekvenciájú rendszer 100 W / 500 W (átlag) 68
ELI-ALPS SYLOS lézerrendszer 4.5 TW / 20 TW (csúcs) egyciklusú lézer 880-1000 nm 69
ELI-ALPS HF lézerrendszer 2 PW / 50 TW (csúcs) nagyintenzitású lézer 800-850 nm 70