A femtoszekundumos lézerektől az attoszekundumos fizikáig Varjú Katalin, Dombi Péter Kapcsolódási pont: ultrarövid impulzusok: karakterizálás, alkalmazások egy attoszekundumos impulzus előállításához kell egy femtoszekundumos impulzus DE! Az impulzus létrejötte egészen más fizikán alapul! (fs impulzus, a rezonátor módusai) SZEGED
1. 9. 15. 3
Tematika 1 3 4 5 6 7 8 9 1 11 1 13 Szélessávú szilárdtest-lézeranyagok Femtoszekundumos lézerimpulzusok erősítése, impulzuskompresszió Femtoszekundumos impulzusok karakterizálása Optikai hullámformák szintetizálása és nagy pontosságú optikai frekvenciamérés femtoszekundumos lézerekkel. fs lézerek alkalmazásai (femtokémia és koherens kontroll, anyagmegmunkálás stb.) Laborlátogatás (IDŐPONT!!) Atomok erős lézertérben (optikai ionizáció, magasrendű felharmonikusok keltése, küszöbfeletti ionizáció stb.) Attoszekundumos impulzusok modellezése Attoszekundumos impulzusok előállítása: kísérleti aspektusok Attoszekundumos impulzusok karakterizálása Attofizikai jelenségek téma A kurzus ismertetése, a teljesítés feltétele. Ultrarövid impulzusok (fs és as). Spektrális és időkép. Lézerfizikai és nemlineáris optikai bevezető A móddusszinkronizált lézerműködés alapjai Szept. 13. Szept.. (DP) Szept. 7. (DP) Okt. 11. (DP) Okt. 18. (DP) SZFKI Nov. 8. Nov. 15. Nov.. Nov. 9. Dátum Irodalom: J.-C. Diels, W.Rudolph: Ultrashort Laser Phenomena, Academic Press, 1996 órai jegyzet A tárgy teljesítésének követelményei: Az előadáson való részvétel nem kötelező, de ajánlott. A kurzus kollokviummal zárul. A vizsga részét képezi egy előre kiadott (otthoni) számolási feladat megoldása. A vizsga másik része az előre egyeztetett vizsgaidőpontban és teremben, írásban történik, ennek teljesítése közben semmilyen segédeszköz nem használható. A vizsgán, az előadáson elhangzó tananyagot kérjük számon, előre kiadott tételek alapján. 1/11. tanév őszi szemeszter
Mennyi egy femto/attoszekundum? Másodperc (wikipedia): A másodperc az alapállapotú cézium-133 atom két hiperfinom energiaszintje közötti átmenetnek megfelelő sugárzás 9 19 631 77 periódusának időtartama. Az idő léptéke HHG atto impulzus sorozat 1 fs-os pumpa-próba 198 1-18 s 1-15 s lézer 196 1-9 s stroboszkópos fényképezés 19 ms, µs szem, fül érzékelési határ.. 18.1 s-.1 ms mechanikus óra 13 perc Napóra 15 BC nap, óra a Sirius heliákus kelése (Nappal egyidejű) 31 BC év emberöltő
Karakterisztikus idők 1fs 1fs femtosecond barrier λ 8nm T = = =.67fs c 8 m 3 1 s Miért érdekes az elektron? fény emisszió biológiai jelek továbbítása kémiai kötések manipulálása jel-feldolgozás sebessége
Mire jó egy ultrarövid (fs, as) impulzus? Rövid: gyors folyamatok adott energia esetén nagyobb a teljesítmény Gyors-fényképezés A labda bemozdul
mechanikus: ms elektronikus: µs lézeres pumpa-próba: ns fs as µ 1 fs,3 = 3µ fs Attofizika Pillanat-felvétel as 1-18 s Femto-kémia Zewail, 1999 szem fs 1-15 s ps 1-1 s ns 1-9 s µs 1-6 s ms 1-3 s 1 s 196 lézer ember 1 3 s 1 6 s 1 9 s 1 1 s gyorsfényképezés 1 15 s Univerzum 1 18 s 1878 E. Muybridge
Energia teljesítmény intenzitás E A energia felvillanási idő megvilágított terület E P = P E I = = A A teljesítmény teljesítmény sűrűség, intenzitás Csúcsteljesítmény és átlagteljesítmény E = 1 mj = 1 = 35 ps = 35 1 J 1 s,1 s E P = = 86 MW csúcsteljesítmény 1-1 s Ismétlési frekvencia 1 Hz, vagyis 1 s alatt 1 felvillanás, azaz az átlagos teljesítmény: 1 E P = =,1 W 1 s Paks: 4 465 MW = 1,86 GW = 1,86 1 9 W TeWaTI (SZTE): 35 mj fs = 1,75 TW = 1,75 1 1 W ELI: EW=1 18 W Nagy intenzitás? Elektromos tér? 1 e atomi elektron: E( r) = r 1 m 4πε r 1 V E 1 11 m a fény elektromágneses hullám, mekkora az elektromos térerősség? intenzitás = teljesítménysűrűség = Poynting vektor ( 1µm) = 1,75 1 W I = 35 mj fs m I 1 = S = E µ B max max 1 = ε ce max E max = I ε c W 1,75 1 m 1 As 8,8 1 3 1 Vm 11 = 8 m s 1 V m Intenzív fény anyag kölcsönhatás
Mitől különleges egy ultrarövid impulzus? végtelen hullám (CW continous wave): E t) = E sin( ω t) ( rövid impulzus: több (szinkronizált) módusból áll E( t) = E sin( ωt) e t T Ultrarövid impulzusok tulajdonságai Időbeli, illetve spektrális leírás Rövid impulzus esetén: E(t) = e iω t l e t ln : intenzitás FWHM Fourier transzformálva: E( Ω) = e iω t l e t ln e iωt dt e ( Ω ωl ) 4 ln ω = 4 ln =,77
Mennyire nagy ez a sávszélesség? 8 nm: 6 nj, 1 fs, 7 MHz 35 mj, fs, 1 Hz 53 nm:. mj, 5 fs, 1 Hz 53 nm: 36 mj, 3 ns, 1 Hz 4 nm: mj, 5 fs, 1 Hz 66 nm: 14 mj, 3 ns, 1 Hz YAG : = 1ns, 4ln 8 1 ω = =,77 1 =,77 1 s 7 1, fs µm,3 c ω fs l = π = π = 3,5 1 λ 53nm 15 1 = 3,5 s 1 fs Ti:S : µm,3 4ln 1 c fs 1 = 1 fs, ω = =,3, ωl = π = π =,356 fs λ,8µm fs világrekord Ti:S attoszekundumos µm,3 4ln 1 c fs 1 = 3,8fs, ω = =,73, ωl = π = π =,356 fs λ,8µm fs µm,3 4ln 1 c fs 1 =,17fs, ω = = 16,3, ωl = π = π = 47 fs λ,8µm fs
Ultrarövid impulzusok tulajdonságai Térerősség: E(t) e iγ t) = E(t) e ( e iϕ iϕ ( t) e iω t l Vivő frekvencia: d d ω ( t) = Γ( t) = ωl + ϕ( t) dt dt időben változik: 1 ϕ( t) = ϕ + ωl t + bt freq modulated chirped pulse
Chirp ha a komponensek nem egyszerre érkeznek: - hosszabb impulzus -időben változó frekvencia
Gaussian chirped pulse másodfokú impulzus-hossz: minimális, ha a=, Fourier limit Csörp (időbeli kép) és GDD (spektrális kép) közötti kapcsolat dφ 1 d φ 1 φ( t) = φ + t + t + K = φ + ωt + bt +K dt dt 1 b a = G Φ( Ω) = Φ = Φ dφ + dω + GD 1 d Φ dω 1 ( Ω Ω ) + ( Ω Ω ) + K ( Ω Ω ) + GDD( Ω Ω ) + K G a GDD = 4(1 + a = ) b GDD b = GDD + 16(ln ) ( Ω) 4 b 16(ln ) + 4
Maxwell egyenletek: Fény terjedése közegben közeg hatása a fényre (forrás) Fourier transzformált: megoldása: z vastagságú közegen való áthaladás után: chirped Gaussian: bemenő közegen való áthaladás után: időképben:
ha a kezdeti impulzus transform limitált (a=) az impulzus hossza duplájára nő 1,73 L d út megtétele után ha a kezdeti impulzus csörpölt és a illetve k előjele megegyezik: Példa: milyen vastag BK7-es üvegen kell egy 5 fs illetve 5 fs impulzusnak áthaladni, hogy duplájára nyúljon: k l = 4,5 1 fs µm p G 1,73Ld 5 fs 4,5 fs 8 µm 5 fs 4,5 fs,8 mm
Levegő? k l = 1,8 1 6 fs µm p G 1,73Ld 5 fs 4,5 fs,73 m 5 fs 4,5 fs 73 m Miért nagyobb a nyúlás mértéke egy rövid impulzusnál? adott z vastagságú közegen való áthaladáskor: GDD=k z z = 1+ 4 GDD 4 G Hogyan lehet az impulzus hosszát csökkenteni? Az anyagok általában pozitív GDD-vel rendelkeznek, emiatt az impulzusok terjedés során pozitív csörpöt szereznek. Kompenzálás: negatív GDD
1 ps Impulzushossz csökkenése forgási módusszinkronizálás Q-kapcsolás 1 ps rezgési diszperziókompenzálás 1 fs lézer-anyagok 1 fs 1 fs 1 as elektron Bohr modell T orbit ~ 15 as HHG új fizika! 197 1975 198 1985 199 1995 5 Idő Impulzus kompresszió - SPM
Breaking the femtosecond barrier Corkum: Opt. Phot. News 6, 18 (1995) optikai hullámhossz, 8nm 3,8 fs, 1,5 periódus Schenkel: Opt. Lett. 8, 1987 (3) XUV - röntgen tartomány, sávszélesség, koherens (nincs erősítő közeg) nemlineáris folyamat: stimulált Raman szórás magasrendű harmonikus keltés
Attoszekunumos impulzusok előállítása A lézer kedvező tulajdonságainak átörökítése nagy sávszélességű, magasabb központi hullámhosszú tartományba: nemlineáris kölcsönhatás révén plazma szabad részecskék