Lézerek és alkalmazásai, lézerfizikai kutatások Szegeden Dr. Hopp Béla Szegedi Tudományegyetem, Optikai és Kvantumelektronikai Tanszék & Fizikus Tanszékcsoport Magyar Fizikus Vándorgyűlés Debrecen, 2013. augusztus 21-24.
Nyertes OTKA Fizika-K pályázatok száma MOTIVÁCIÓ OTKA 35 30 25 20 15 10 5 0 2010-2013 Budapest Debrecen Pécs Szeged Az OTKA Fizika-K nyertes pályázatok megoszlása 2010-2013 75,58% Budapest 22,42% Debrecen 2% 0% Pécs
TEWATI Lézerfejlesztések 2 TW 10 Hz lézerrendszer Hibrid: OPCPA + Ti:S Hazai tervezés és megvalósítás Paraméterek (2000-2011) 800 nm: 6 nj, 12 fs, 70 MHz 35 mj, 20 fs, 10 Hz 530 nm: 0.2 mj, 25 fs, 10 Hz 532 nm: 360 mj, 3 ns, 10 Hz 400 nm: 2 mj, 25 fs, 10 Hz 266 nm: 140 mj, 3 ns, 10 Hz New Fejlesztés 2012-14: 800 nm: 2 mj, <20 fs, 1kHz 800 nm: 100mJ, <20fs, 10Hz (5TW) 400 nm: 0.5 mj, 30 fs, 1kHz 266 nm: 50 J, 25 fs, 1kHz
Refractive index Dispersion [1/nm] Specific GD [fs/m] Specific GD [fs/m] gas Diszperzió mérések Semleges gázok lineáris és nemlineáris diszperziója Ti:S oscillator fs pulses @ 767 nm Bandwidth: 55 nm BS1 y High precision translator BS2 ω pump 4.5 m long vacuum tube 2D imaging spectrograph Phase surface mapping Evaluation process y ω y 25 GW/cm 2 250 GW/cm 2 Wavelength 2500 GW/cm 2 Spektrálisan bontott interferometria és alkalmazásai Impulzuskompresszorok és optikai szálak mérése a) 1000 800 600 400 200 0 Osvay et al., APB 87, 457 (2007) Börzsönyi et al., AO 47, 4856 (2008) Börzsönyi et al., OE 18, 25847 (2010) Neon Helium Air 0.01 0.1 1 10 100 1000 Pressure [mbar] b) 2500 2000 1500 1000 500 0 Xenon Krypton Air Nitrogen Argon 0.01 0.1 1 10 100 1000 Pressure [mbar] Osvay et al., APB 107, 105 (2012) Börzsönyi et al., OL 39, 410 (2013) Börzsönyi et al., Appl.Sci. 3, 515 (2013) Szögdiszperzió mérése Bakteriorodopszin diszperziója és törésmutatója Heiner, Osvay, AO 48, 4610 (2009) 1.360 1.355 1.350 1.345 1.340 1.335 1.330 1.360 1.355 1.350 1.345 1.340 540 560 580 600 620 From linear approx. Fitted Sellmeier eq. (A 0 & k=2) 400 500 600 700 800 900 Wavelength [nm] 0.0000-0.0005-0.0010-0.0015-0.0020-0.0025-0.0030-0.0035-0.0040 Fabian et al., OE 19, 18861 (2011) Measured Fitted 0 5 10 15 20 25 30 Concentration [ mol/l]
Repetition rate difference (Hz) Spectrograph dgdd/dtod (fs 2 /fs 3 ) CEO phase measured by transmission ring [rad] Phase shift at 800 nm(rad) Femtoszekundumos optika CEP megmaradás nemlineáris folyamatban (XPW) Osvay et al., Opt.Exp. 17, 22318 (2009) BaF 2 Ti:S Ti:S PA Laser Laser f = 1000 mm achromats Polarization splitter Polarity rotator 200 y (μm) 747 nm y 800 nm 829 nm y 160 120 Total phase shift incl. CEP Measured: 644.6 rad/mm Calculated: 647.0 rad/mm XPW beam Periscope Imaging spectrograph Fundamental beam PR mirror Translation stage 0 1 10 10 2 10 3 1 10 10 2 10 3 1 10 10 2 10 3 Exposure time (ms) 80 40 0 0 40 80 120 160 200 Wedge position ( m) CEP mérése lineáris optikai módszerekkel Osvay et al., OL 32, 3095 (2007) Jójárt et al., OL 37, 836 (2012) Pump Pump W 0 W 0 AOM AOM CM CM W W 0 0 Ti:S Ti:S CM CM OC OC F-to-2F interferometer Multiple Beam Interferometer BS 1 1 W 1 1 BS BS 2 2 W W 2 2 Imaging spectrograph 2 1 0-1 Jójárt et al., OL (2013) under submission The CEP shift of the pulse train in the oscillator: CE 0 CEP measured by CEP izokronikus és izo-diszperzív hangolása W 1 W 2 2 0-2 Aimed characteristics Experimental results Model results for the actual wedges -100-50 0 50 100 PZT position difference (µm) -2-1 0 1 CEO phase measured by f-to-2f method [rad] 0.05 0.005 N-LAK7+N-LASF46A+N-SF57 0.045 0.0045 0.004 0.04 0.0035 N-BAF4+N-LASF41+N-LASF44 0.035 0.003 0.0025 0.03 0.002 0.025 0.0015 0.001 N-LASF31A+N-LASF46A+N-SF57 0.02 0.0005 N-BASF2+N-LASF46A+N-SF57 0 0.015 0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.01 0.005 0 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 dgd/dtod (fs/fs 3 ) Görbe et al., OL 33, 2704 (2008) Kovács M et al., (2013) under submission
y (um) y (mm) Femtoszekundumos impulzusok aberrációi Coma Simulation Simulation z = -1.8 mm mm z -1 = mm -1 mm z - 0.4 = -0.4 mm mm z 0 = mm 0 mm z = 0.4 0.4 mm mm z = 1 1 mm mm z = 1.8 1.8 mm mm 0.2 Z. Horvath et al., JOSA B 23, 30 (2013) Beam expander lens 0.1 0 15 fs@800 nm Optical filter -0.1-0.2 Ti:Sapphire Lens to be studied 700-6100 0-6000 -5900 200 -t (fs) -t (fs) Experiment Experiment z = -4 mm z = 1 mm z = 2 mm z = 4 mm τ delay Compensator plate Spectrograph z y 600 z = -2 mm z = 0 mm 500 400 300 200 100 0 100 200 300 400 -t (fs) Attoszekundumos optika Attoszekundumos impulzusok keltése és összenyomása atto-chirp harmonic chirp Varjú et al., PRL 95, 243901 (2005) Mero et al., OE 19, 23420 (2011) Kovacs K et al., PRL 108, 193903 (2012) Balogh et al., JPhysB 45, 074022 (2012)
Normált reflexióképesség Normált reflexió Nem reflektáló nanostruktúrák előállítása fém felületeken lézeres besugárzással 1.0 1.0 0.8 0.6 100 impulzus, 550 nm Ag Au Cu 0.8 0.6 ~190 mj/cm 2 energiasűrűség, 550 nm Ag Au Cu 0.4 0.4 0.2 0.2 0.0 0 500 1000 1500 2000 Energiasűrűség (mj/cm 2 ) 0.0 0 200 400 600 800 1000 Impulzusszám F= 16 mj/cm 2 190 mj/cm 2 383 mj/cm 2 1996 mj/cm 2 Cu N= 0 10 50 100 1000 Cu Au Au Ag Ag
Lokalizációs mikroszkópia (PALM, STORM) Diffraction limited image Super-resolved image Resolution >200nm Resolution <20nm 2000 simulated frames
STORM-rendszer és néhány példa O d 3 SC: 450-670 M 2 F 1 D F 2 d 1 100 mw @405 nm L 1 L 2 L 3 d 2 M 1 CCD L 4 100mW@488nm 100mW@561nm Normal image STORM image 150mW @642 nm Aβ 1-42 fibril (in vitro) 500 nm EGF receptors forming pits and vesicles in the cell membrane Endogeneous Tau protein forming clusters inside the cell
Metánkoncentráció (ppm) Fotoakusztikus spektroszkópiai elven működő gázdetektorok fejlesztése orvosi kutatásokhoz (SZTE-ÁOK Sebészeti és Műtéttani Intézet) Humán szervezetben kimutatni az oxido-reduktív stressz által indukált (baktériumoktól független) endogén metántermelődést Nyitott szívműtét közben kilélegzett levegő mérése jól definiált stresszállapotok 20 18 16 14 12 saját vér transzfúziók 10:30 10:35 10:40 10:45 10:50 10:55 Idő (óra:perc) Az egyes műtétek során jól reprodukálható metánfelszabadulás bizonyos beavatkozások hatására A felszabaduló metángáz egy protektív folyamat indikátora lehet új diagnosztikai lehetőség Tuboly E, Szabó A, Garab D, Bartha G, Janovszky A, Eros G, Szabó A, Mohácsi A, Szabó G, Kaszaki J, Ghyczy M, Boros M: Methane biogenesis during sodium azide-induced chemical hypoxia in rats (2013) Americal Journal of Physiology 304 (2)
Glikolregenerálók benzol és toluol emissziójának mérése fotoakusztikus detektorral ellátott gázkromatográffal (a kutatás egy MOL K+F projekt keretében valósul meg) A földgázszárítás egyik legelterjedtebb módja a glikolos érintkeztetés. A glikolban azonban a földgázban jelen lévő benzol és toluol is feldúsul. A regenerálás (forralás) során a vízgőzzel együtt ezek az anyagok is a légkörbe távoznak (emisszió). glikolregeneráló műszer Az emisszió kiszámolható a regeneráló tömegmérlegéből, vagyis ha ismerjük a benzol/toluol koncentrációt a glikolban, valamint a glikolok mennyiségét. Hanyecz V, Mohácsi Á, Puskás S, Vágó Á, Szabó G: Photoacoustic spectroscopybased detector for measuring benzene and toluene concentration in gas and liquid samples, Measurement Science and Technology 22 (2011) 125602 (7pp) Készülőben a robbanásbiztos változatról szóló publikáció.
Félvezető felületek lézeres kezelése Szilícium felület lézeres mintázása: Nd:YAG lézer 10 ns 1000 impulzus KrF lézer 30 ns 500 impulzus KrF lézer 0,5 ps 5 impulzus Titán-zafír lézer 100 fs 160 impulzus Spektroszkópiai ellipszometriai és Raman spektroszkópiai mérések Szilícium lézeres inkubáció olvadás:
Félvezető vékonyrétegek előállítása PLD-vel Különböző mikroszerkezetű ZnO rétegek előállítása: Felületek szórásának vizsgálata ellipszométerrel ZnO rétegek depolarizáló hatása:
Napelem modulok megmintázása 400nm ZnO:Al 50nm CdS 3.15μm 65μm 2μm CuInGaSe 2 700nm Mo A rétegek szelektív, maradványmentes eltávolítása lehetséges nanoszekundum impulzus-hosszú Nd:YAG lézerrel. CuInGaSe 2 ZnO:Al CuInGaSe 2 Mo Mo NKFP 2/025/2001 Napelemtechnológiai innovációs centrum A. Búzás and Zs. Geretovszky, Physical Review B 85, 245304 (2012)
Nanostruktúrált ezüst réteg lézeres kialakítása Rodamin 6G oldat Raman spektrumai Szelektív, nanostruktúrált ezüst lerakódás Eureka Siv_HU09 OMFB-0163/2009 ömlesztett kvarc hordozón optikai szál végén Erős SERS aktivitás, akár optikai szál végén (a szálanyag hátterének ellenére) is!
Rövidimpulzusú, KrF lézerekre alapuló, nagyintenzitású lézer-anyag kölcsönhatások vizsgálata (Nagyintenzitású Lézer Laboratórium - High Intensity Laser Laboratory (HILL)) KrF excimer = 248 nm 250 Impulzus paraméterek: @248 nm 80 mj 600 fs 50 mj 100 fs 2 mj <20 fs (LLG) A fejlesztett lézerrendszer Fókuszált intenzitás: < 10 19 W/cm 2 Intenzitás kontraszt > 10 9
Kutatási területek Lézer kutatások A nyaláb idő- és térbeli minőségének javítása. Nemlineáris aktív térszűrés. A kimenő energia növelése. KrF erősítő kutatás-fejlesztés. Lézerfény-anyag kölcsönhatás tanulmányozása anyagmegmunkálás nagy intenzitású kölcsönhatások - harmonikus keltés szilárdtest felületén - harmonikus keltés gázokban (150 J, <500 fs, 83 nm) ( 15 J, <500 fs, 49.7 nm) - plazmatükör tanulmányozása
Fázis-moduláció létrehozása a Fourier síkban Nemlineáris plazmaszűrő kísérleti megvalósítása A nemlineáris plazmaszűrő főbb jellemzői: Az időbeli kontraszt nagyfokú javulása (>10 3 ), nyaláb kisimítás (térszűrés), ön-beállító (nincs szükség precíz beállításra), széles hullámhossz tartományon alkalmazható, magas transzmisszió (>40% kísérletileg kapott).
Erősítő fejlesztés Két lépcsős UV előionizáció kísérleti megvalósítása perforált elektródán keresztül. Hatékonyabb preionizáció. Gyors felfutású gerjesztő impulzus. Elérhető energia: 150 mj Sagnac interferométeren alapuló interferometrikus multiplexelés vizsgálata. Elérhető energia: 240 mj Targeted energy: 240mJ Back-to-back lézer. Elérhető energia: 480 mj
Nagy tiltott sávú dielektrikumban ultrarövid, intenzív lézerimpulzusokkal keltett töltéshordozók dinamikájának vizsgálata
P. Földi, M.G. Benedict, and V. Yakovlev, The effect of dynamical Bloch oscillations on optical-fieldinduced current in a wide-gap dielectric, New Journal of Physics 15 (2013) 063019, doi:10.1088/1367-2630/15/6/063019
Atomi elektron erős lézertérben: kvantumos összefonódottság az elektron és az ion mozgása között Klasszikus modell P. Corkum, F. Krausz, Nat. Phys. 3, 381 (2007) M. Lewenstein et al., Phys. Rev. A 49 2117(1994) P. B. Corkum, Phys. Rev. Lett. 71, 1994 (1993) Rescattering, backscattering, HHG A kvantumos összefonódottság egyik gyakran használt mértéke a Neumann entrópia:
A Neumann-entrópiának lokális maximumai vannak a (néhány ciklusú) lézerimpulzus zéróhelyeinél E = 0.1 a.u. 0.15 a.u. 0.2 a.u. 0.25 a.u. Ez a tulajdonság a lézerimpulzus vivő-burkoló fázisának (CEP) változtatása esetén is igaz marad A. Czirjak et.al. Phys.Scr. T153 (2013) 014013
A lézeres szórási interferencia jelenségének felhasználása szöveti vérellátás nagy pontosságú, költséghatékony mérésére A mérések során alkalmazott elrendezés vázlata. Malac agyfelszínéről készített szórási interferenciakép és az alapján számított kontraszttérkép. Az ujj vérellátásának változása a vérnyomásmérő mandzsettájának felfújása és leengedése hatására. Az ábra felső részén sebességtérképek láthatóak, míg alsó részén sebességgrafikon mutatja a stimulált szövetben lévő perfúzió intenzitását.
Ezúton szeretnénk köszönetet mondani: Az SZTE Kutatóegyetemi Kiválósági Központ tudásbázisának kiszélesítése és hosszú távú szakmai fenntarthatóságának megalapozása a kiváló tudományos utánpótlás biztosításával (TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0012), az Impulzuslézerek alkalmazása az anyagtudományban és a biofotonikában (TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0060), az Új, funkcionális anyagok által kiváltott biológiai és környezeti válaszok (TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0047), valamint a Környezeti tényezők és genetikai faktorok interakciójának vizsgálata immunmediált és daganatos betegségek kialakulásában (TÁMOP- 4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0035) projekteknek.
KÖSZÖNÖM SZÉPEN A FIGYELMET!