Terahertzes óriásimpulzusok az ELI számára Almási Gábor (és még sokan mások) PTE TTK Fizikai Intézet almasi@fizika.ttk.pte.hu 1
Tartalom A terahertzes tartomány meghódítása Néhány szó az ELI-PTE közreműködésről THz pumpa THz próba (TP2) Pumpa Próba mérés Multispektrális képalkotás Nagy energiájú THz-es forrás THz-es sugárzás keltése Cserenkov geometria Döntött impulzusfrontú gerjesztés Főbb alkalmazási lehetőségek Nagy energiájú alkalmazások Relativisztikus elektronok gyorsítása Protonok utógyorsítása 2
Mit értünk THz-es sugárzáson? 1 THz 4,15 mev 1 THz 33,3 cm-1 1 THz 300 µm 1 THz 1 ps 1 THz 48,1 K 3
Mit értünk THz-es sugárzáson? 4
Emissivity (J/m 2 ) Mit értünk THz-es sugárzáson? Feketesugárzók zavaró hatása a THz-es mérésekre 10-8 10-10 10-12 10-14 10-16 10-18 3000K 300K T=30K.01.1 1 10 100 1000 Frequency (THz) 5
THz-es közlemények 6
Electric field (a. u.) Spectral amplitude (a. u.) THz-es impulzusok osztályozása a csúcs-térerősség alapján 1,0 0,5 0,0-0,5 E max 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0 1 2 3 Frequency (THz) -2 0 2 4 6 8 time (ps) Kis térerősségű (E max 100 V/cm 10 fj energia) Lineáris (TDTS) THz spektroszkópia Nagy térerősségű (E max 100 kv/cm µj energia) pumpa-próba Extrém nagy térerősségű (E max 100 MV/cm 10 mj energia) 7
THz pulse energy (nj) A THz-es impulzus energia a pumpáló energia függvényében 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 10 0 10-1 10-2 10-3 10-4 LN (tilted-pulse-front pumping) ZnTe (collinear) LN (Yeh, 2008) LN (Yeh, 2007) LN (Stepanov, 2005) LN (Stepanov, 2008) LN (Fülöp, 2012) ZnTe (Blanchard, 2007) ZnTe (Löffler, 2005) 125 J 10-5 10 100 1000 10000 100000 Pump pulse energy ( J) 8 Fülöp et al., Optics Lett. 37, 557 (2012), Huang et al., Optics Lett. 38, 796 (2013)
Az ELI-PTE együttműködésről 1 THz pumpa THz próba (TP2) 9
Optikai pumpa THz próba (OPTP) 10
THz pumpa THz próba Hoffmann et al.: Phys. Rev. B 79, 161201R (2009) 11
THz pumpa THz próba (TP2) 12
THz pumpa THz próba (TP2) 13
Multispektrális képalkotás (MSI) 14
A finom részletek (Vákuum) 15
A finom részletek (TANGO) 16
THz-es sugárzás keltése FOM 2 mm-es kristályhossz esetén Material d eff (pm/v) THz.55 (cm -1 ) FOM (pm 2 cm 2 /V 2 ) CdTe 81.8 3.24 2.81 4.8 11.0 GaAs 65.6 4.18 3.59 3.56 0.5 4.21 GaP 24.8 3.67 3.34 3.16 0.2 0.72 ZnTe 68.5 3.13 3.17 2.81 1.3 7.27 GaSe 28.0 3.13 3.27 2.82 0.5 1.18 slinbo 3 sln 100K gr n 800 nm n 168 2.25 4.96 2.18 17 4.8 18.2 48.6 DAST 615 3.39 2.58 2.25 50 41.5 gr THz n 1 m Sebesség illesztés feltétele: v gr NIR v ph THz n gr NIR n THz 17
THz-es sugárzás keltése: Cserenkov geometria Cserenkov Δt pump < T THz w pump < λ THz Kúp alakú hullámfront 18
THz-es sugárzás keltése: Cserenkov geometria 19
THz-es sugárzás keltése Sebességillesztés: v f THz v cs lézer LiNbO 3 : nagy nemlinearitás, de v f THz v cs lézer Velocity matching by tilting of the pump pulse front J. Hebling et al: Optics Exp. 10, 1161 (2002) f v THz cs v lézer A döntött pumpáló intenzitásfront által keltett THz-es sugárzás erre a THz radiation excited along the tilted pulse front propagates frontra perpendicularly merőlegesen to halad this front a sebességillesztés velocity matching feltétele condition: módosul: gr ph f cs 20 vvis cos v v THz THz cos vlézer
THz-es impulzusok keltése: Döntött impulzusfrontú gerjesztés Döntött impulzusfront Δt pump < T THz Skálázható w pump Síkhullám 21
THz-es sugárzás keltése 22
THz-es sugárzás keltése 23
x [mm] THz intensity [arb. u.] THz-es impulzusok keltése: Döntött impulzusfrontú gerjesztés (c) pump (a) LN crystal pump LN crystal x [mm] 2 0 4 pump THz 2 THz 0-2 -4 x [mm] 4 1.0 0.5 0.0 THz 2 8 0 4-2 0 x [mm] -4 THz generation efficiency [arb. u.] 1E-3 8E-4 6E-4 4E-4 (a) (b) (c) -8-4 2E-4-2 0 (b) LN crystal -4-2 0 2 z [mm] 4 24
THz-es impulzusok keltése: Döntött impulzusfrontú gerjesztés kontaktrács I. 25
THz-es impulzusok keltése: Döntött impulzusfrontú gerjesztés kontaktrács II. LiNbO 3 kontaktrács elektronmikroszkópos képe 26
THz-es impulzusok keltése: Döntött impulzusfrontú gerjesztés kontaktrács III. ZnTe kontaktrács 27
THz-es impulzusok keltése: Döntött impulzusfrontú gerjesztés kontaktrács IV. 28 Echelle rácsos elrendezés
Extrém térerjű THz-es impulzusok alkalmazása I. Relativisztikus elektronok utógyorsítása 29
THz meghajtású dielektrikus lézer gyorsító relativisztikus elektronokra Modell Meghajtó impulzus Elektromos térerő z-irányban Amplitude / E 0 1.0 0.5 0.0-0.5-1.0 100 200 300 400 Time (fs) A. Aimidula et al., Nucl. Instr. and Meth. A, 19, 15090 (2014) Computer Simulation Technology (CST) 1.0 Amplitude / E 0 0.5 0.0-0.5-1.0 30 5 10 15 20 25 30 35 Time (ps)
THz meghajtású dielektrikus lézer gyorsító optimális paraméterei (Az alkalmazott anyagtól függenek) Anyag: Szilícium (n = 3.41) A = B = λ / 2 Optimalizáltuk a C, D és L paramétereket. C = 0.1 λ D = 0.167 λ L = 0.28 λ l = 0.9 mm (0.33 THz) 31
Elektromos tér a rácsok közötti térrészben 32
Elektromos tér a rácsok közötti térrészben E z,max = 1.8 E 0 Amplitude / E 0 π phase delay 2 1 0-1 -2 10 15 20 25 30 35 40 2 Initial Signal probe1 Time (ps) Maximum electromos mező a dielektrikumban: E z,max = 1.08 E 0 Amplitude / E 0 1 0-1 -2 probe1 probe2 33 15 20 25 30 35 40 Time (ps)
Energy (MeV) Energy (MeV) Várható gyorsítás THz paraméterek: 0.33 THz 1 MV/cm 15 ps 20 mj 5 cm dielektrikum hossz: 1 MeV 4 MeV Gradiens: 59 MeV/m THz paraméterek: 0.7 THz 2 MV/cm 7 ps 20 mj 1.2 1.1 1.0 0.9 1.2 1.1 phase = 0 phase = 40 phase = 80 phase = 120 phase = 160 phase = 180 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 phase = 0 phase = 40 phase = 80 phase = 120 phase = 160 phase = 180 z (mm) 5 cm dielektrikum hossz: 1 MeV 6.35 MeV Gradiens: 107 MeV/m 1.0 0.9 34 0.0 0.5 1.0 1.5 z (mm)
Extrém térerjű THz-es impulzusok alkalmazása II. Protonok utógyorsítása 35
Gyors protoncsomag előállítása lézerrel keltett plazmákban Protonterápiához E > 70 MeV kell! Snavely et al.: PRL 85, 2945 (2000) 1 PW, 500 J, 500 fs http://www.extreme-lightinfrastructure.eu/hadron-therapy 36
Protonok utógyorsítása A lézermeghajtású proton gyorsítók jelenlegi korlátai A hadron terápia elvárásai a protonforrásokkal szemben 70-250 MeV/nukleon energia Relatív energia fluktuáció <1% (kvázi-monoenergikus nyaláb) Alacsony nyaláb divergencia Jelen képességek: Legnagyobb közölt energia: 58 MeV (proton) /széles sáv/ vékony szilárd target Phys. Rev. Lett. 85, 2945 (2000) Keskeny sáv (~1%), de alacsony energia (20 MeV) gáz target Nature Physics 8, 95 (2012) 37
Az evaneszcens térrel működő THz-es gyorsító elrendezés v c nsin( α ) Elvárások az anyaggal szemben Nagy optikai roncsolási küszöb Nagy törésmutató Alacsony THz-es abszorpció Kis diszperzió c n Hűtött LiNbO 3 (LN) v c Palfalvi et al., Phys. Rev. ST-AB 17, 031301 (2014) 38
proton energia (MeV) Utógyorsítás evaneszcens THz-es térrel egyetlen proton gyorsítása 100 80 E 0 = 1,71 MV/cm f = 0,5 THz 60 40 0 4 8 12 gyorsító egységek száma Szabadalmi bejelentés (2012) Pálfalvi et al. PHYSICAL REVIEW SPECIAL TOPICS - ACCELERATORS AND BEAMS 17, 031301 (2014)
proton energy (MeV) Proton csomag gyorsítása és monokromatizálása 43 42 41 0.5% input output 50 % 42.37 MeV E 0 = 1.71 MV/cm /2 = 0.5 THz Optimális beállítások: l acc = 1.25 cm v THz = 0.2871 c φ 0 = 3 rad 40 0 20 40 60 80 100 ordinal number of the proton (i) 40
Proton csomag gyorsítása és monokromatizálása több fokozattal 0.25 THz frekvenciával output energy (MeV) 55 1.stage E 0 = 0.7 MV/cm 2.stage /2 = 0.25 THz 3.stage d = 100 m 4.stage 50 5.stage 45 40 0 20 40 60 80 100 ordinal number of the proton (i) 42 56 MeV Monokromatizálási hányad: 10% Az alacsonyabb THz-es frekvencia előnyösebb! 41
Köszönet a kollégáknak! Az eredmények létrejöttében meghatározó szerepet játszottak: Hebling János Fülöp József András Buzády Andrea Unferdorben Márta Márton Zsuzsa Lombosi Csaba Pálfalvi László Polónyi Gyula Ollmann Zoltán Tibai Zoltán Monoszlai Balázs Tóth György Mechler Mátyás Illés 42
. Köszönöm a figyelmet! 43