Attoszekundumos impulzusok keltése és alkalmazásai

Hasonló dokumentumok
A femtoszekundumos lézerektől az attoszekundumos fizikáig

Kutatóegyetemi Kiválósági Központ 1. Szuperlézer alprogram: lézerek fejlesztése, alkalmazásai felkészülés az ELI-re Dr. Varjú Katalin egyetemi docens

ATTOSZEKUNDUMOS IMPULZUSOK

Kvantumos jelenségek lézertérben

Femtoszekundumos felületi plazmonok által keltett elektronnyalábok vizsgálata

Lézerek. A lézerműködés feltételei. Lézerek osztályozása. Folytonos lézerek (He-Ne) Impulzus üzemű lézerek (Nd-YAG, Ti:Sa) Ultrarövid impulzusok

Biofizika. Sugárzások. Csik Gabriella. Mi a biofizika tárgya? Mi a biofizika tárgya? Biológiai jelenségek fizikai leírása/értelmezése

Nagyenergiájú terahertzes impulzusok előállítása és alkalmazása (az ELI-ALPS-ban) Lehetőségek és kihívások

Lézerek. Extreme Light Infrastructure. Készítette : Éles Bálint

Az ELI projekt ( szuperlézer ) Dombi Péter

A kvantummechanika kísérleti előzményei A részecske hullám kettősségről

Röntgensugárzás az orvostudományban. Röntgen kép és Komputer tomográf (CT)

Koherens lézerspektroszkópia adalékolt optikai egykristályokban

Az elektromágneses színkép és egyes tartományai

Az elektromágneses hullámok

OPTIKA. Fénykibocsátás mechanizmusa fényforrás típusok. Dr. Seres István

Mézerek és lézerek. Berta Miklós SZE, Fizika és Kémia Tsz november 19.

Magasrendű felharmonikus- és attoszekundumos impulzuskeltés makroszkopikus vizsgálata

Abszorpciós fotometria

Orvosi Biofizika I. 12. vizsgatétel. IsmétlésI. -Fény

A lézer alapjairól (az iskolában)

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 4. (a) Kvantummechanika. Utolsó módosítás: november 15. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Az optika tudományterületei

Műszeres analitika II. (TKBE0532)

Név... intenzitás abszorbancia moláris extinkciós. A Wien-féle eltolódási törvény szerint az abszolút fekete test maximális emisszióképességéhez

Bordács Sándor doktorjelölt. anyagtudományban. nyban. Dr. Kézsmárki István Prof. Yohinori Tokura Prof. Ryo Shimano

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

Atomok és fény kölcsönhatása a femto- és attoszekundumos időskálán

Kvantumos információ megosztásának és feldolgozásának fizikai alapjai

SZAKDOLGOZATI TÉMÁK 2017/2018. tanév

Abszorpciós spektrometria összefoglaló

Rezgés, Hullámok. Rezgés, oszcilláció. Harmonikus rezgő mozgás jellemzői

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

Optika és Relativitáselmélet II. BsC fizikus hallgatóknak

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

Radioaktív sugárzások tulajdonságai és kölcsönhatásuk az elnyelő közeggel. A radioaktív sugárzások detektálása.

Munkagázok hatása a hegesztési technológiára és a hegesztési kötésre a CO 2 és a szilárdtest lézersugaras hegesztéseknél

PÉCSI TUDOMÁNYEGYETEM. Ultrarövid fényimpulzusok előállítása az infravörös és az extrém ultraibolya tartományon. Tóth György. Dr.

DIPLOMAMUNKA TÉMÁK 2017/2018. tanév

Abszorpciós fotometria

Hogyan bírhatjuk szóra a molekulákat, avagy mi is az a spektroszkópia?

Koherens fény (miért is különleges a lézernyaláb?)

PÉCSI TUDOMÁNYEGYETEM. Oxidkristályok lineáris terahertzes spektroszkópiai vizsgálata. Unferdorben Márta

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

A hőmérsékleti sugárzás

9. évfolyam. Osztályozóvizsga tananyaga FIZIKA

PÉCSI TUDOMÁNYEGYETEM. Impulzushossz és hőmérséklet hatásai nagyenergiájú lítium-niobát alapú terahertzes forrásokra.

Abszorpció, emlékeztetõ

FIZIKA. Sugárzunk az elégedettségtől! (Atomfizika) Dr. Seres István

Műszeres analitika. Abrankó László. Molekulaspektroszkópia. Kémiai élelmiszervizsgálati módszerek csoportosítása

Koherens fény (miért is különleges a lézernyaláb?)

Concursul Preolimpic de Fizică România - Ungaria - Moldova Ediţia a XVIII-a, Cluj-Napoca Proba teoretică, 1 iunie II. Feladat: Lézer (10 pont)

Mi az a lézer? A lézerfény tulajdonságai. Osvay KárolyK ELI-Hu Nonprofit Kft. Szegedi Tudományegyetem. avagy egy zseblámp. zerig

ATTOSZEKUNDUMOS IMPULZUSKELTÉS MAKROSZKOPIKUS OPTIMALIZÁCIÓJA

Röntgendiffrakció. Orbán József PTE, ÁOK, Biofizikai Intézet november

Az időtől független Schrödinger-egyenlet (energia sajátértékegyenlet), A Laplace operátor derékszögű koordinátarendszerben

Abszorpciós fotometria

MAGAS HARMONIKUSOK ÉS ATTOSZEKUNDUMOS IMPULZUSOK. Összefoglalás. Köszönetnyilvánítás

1. Az első magyarországi THz-es laboratórium felépítése

Az ELI-ALPS lézerei és kutatási infrastruktúrája

A fény tulajdonságai

Abszorpciós spektrumvonalak alakja. Vonalak eredete (ld. előző óra)

Optika Gröller BMF Kandó MTI

A fény korpuszkuláris jellegét tükröző fizikai jelenségek

2, = 5221 K (7.2)

Rezgőmozgás. A mechanikai rezgések vizsgálata, jellemzői és dinamikai feltétele

Az ionizáló sugárzások fajtái, forrásai

Tartalomjegyzék. Emlékeztetõ. Emlékeztetõ. Spektroszkópia. Fényelnyelés híg oldatokban 4/11/2016. A fény; Abszorpciós spektroszkópia

Biofizika. Csik Gabriella. Mi a biofizika tárgya? Mi a biofizika tárgya? A biológiában és orvostudományban alkalmazott fizikai módszerek tárgyalása

Biofizika. Csik Gabriella. Mi a biofizika tárgya? Mi a biofizika tárgya? A biológiában és orvostudományban alkalmazott fizikai módszerek tárgyalása

Lézertechnológusok képzése a szegedi szuperlézer (ELI-ALPS) fényében

X-FROG, GRENOUILLE. 11. előadás. Ágazati Á felkészítés a hazai ELI projekttel összefüggő ő képzési é és K+F feladatokra"

Röntgensugárzás. Röntgensugárzás

Periódusosság. Általános Kémia, Periódikus tulajdonságok. Slide 1 of 35

Optika és Relativitáselmélet II. BsC fizikus hallgatóknak

Tartalomjegyzék. Emlékeztetõ. Emlékeztetõ. Spektroszkópia. Fényelnyelés híg oldatokban A fény; Abszorpciós spektroszkópia

11.3. Az Achilles- ín egy olyan rugónak tekinthető, amelynek rugóállandója N/m. Mekkora erő szükséges az ín 2 mm- rel történő megnyújtásához?

Atomfizika. A hidrogén lámpa színképei. Elektronok H atom. Fényképlemez. emisszió H 2. gáz

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

A gamma-sugárzás kölcsönhatásai

Rövid impulzusok vizsgálata autokorrelátorral

Foton-visszhang alapú optikai kvantum-memóriák: koherens kontroll optikailag sűrű közegben

Modern fizika vegyes tesztek

8. előadás Ultrarövid impulzusok mérése - autokorreláció

Lézerek és alkalmazásai, lézerfizikai kutatások Szegeden

Van-e a vákuumnak energiája? A Casimir effektus és azon túl

Atommodellek de Broglie hullámhossz Davisson-Germer-kísérlet

Periódusosság. Általános Kémia, Periódikus tulajdonságok. Slide 1 of 35

Szentjánosbogár, trópusi halak, sarki fény Mi a közös a természet fénytüneményeiben?

NAGY ENERGIA SŰRŰSÉGŰ HEGESZTÉSI ELJÁRÁSOK

Abszorpciós spektroszkópia

Röntgen sugárzás. Wilhelm Röntgen. Röntgen feleségének keze

Lézerimpulzusok vivőhullám-burkolófáziscsúszásának. optikai módszerrel

Sugárzások és anyag kölcsönhatása

Mikroszerkezeti vizsgálatok

Erős terek leírása a Wigner-formalizmussal

Elektromágneses hullámok - Interferencia

A fény mint elektromágneses hullám és mint fényrészecske

Válasz Dr. Dzsotjan Gagik bírálatára

Szilárd testek sugárzása

Átírás:

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

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

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

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, 999 96 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

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

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

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

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

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

Impulzushossz csökkenése ps módusszinkronizálás Q-kapcsolás ps fs diszperziókompenzálás lézer-anyagok fs fs as HHG új fizika! 97 975 98 985 99 995 2 25 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

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

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

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) =,75 5 2 2 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

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

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

Következmények (klasszikus) Harmonic order 29 25 2 7 3 Short Trajectory Cut-off Long Trajectory.5.6.7.8.9..2 Return time (cycles) E = 3, 2 max kin U p max h ν = I p + 3, 2 U p 5 5 2 Time (as) 3/53 Periodicitás Mivel a fotonkibocsátás minden félperiódusban (a gáz izotróp) megismétlődik (időkép), a spektrumban 2ω távolságokban elhelyezkedő csúcsokat találunk. 32/53

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...).5.5.5 2ω.5 3ω 2 3 4 5 6 Kioltás 2 3 4 5 6 Erősítés 33/53 A harmonikus sugárzás időbeli alakja Spektrum Nem attoszekundumos impulzusok!! 34/53

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

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

Intenzitás-kapu Brabec et al., 999 intensity [counts counts] 25 as 6 7 8 9 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

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

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

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

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

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 49 83 (22) 5/53

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 328 658 (2) 52/53

53/53