A LÉZERES RÉSZECSKEGYORSITÁS MÚLTJA ÉS JELENE

A LÉZERES RÉSZECSKEGYORSITÁS MÚLTJA ÉS JELENE Varró Sándor Szilárdtestfizikai és Optikai Kutatóintézet Magyar Tudományos Akadémia, Budapest SZFKI Szeminárium. 2011. december 20.

A helios program honlapja : http://www.heliosprogram.hu/

Picture copied from: K. Osvay, Primary saources of ELI-ALPS. Presentation at LEI-2011 Szeged 2011.

Picture copied from: K. Osvay, Primary saources of ELI-ALPS. Presentation at LEI-2011 Szeged 2011.

Scanned title page of the Book of Abstracts of LEI-2011 Szeged

IZEST : INTERNATIONAL ZETA-EXAWATT SCIENCE AND TECHNOLOGY. Launching Workshop, Ecole Polytechnique, 28-29 November, 2011. Paris, France.

Copied from T. Tajima presentation at [ IZEST : INTERNATIONAL ZETA-EXAWATT SCIENCE AND TECHNOLOGY. ] Launching Workshop, Ecole Polytechnique, 28-29 November, 2011. Paris, France.

Nagy elektromos térerősség [ F cm 2 1/ 2 0 /( V / cm)] 27.46[ I0 /( W / )]

RADIATION LABORATORY [ Cambridge, Mass., 1940 1945. ]

Egy Nobel díjas példa: A mikrohullámú technika és a Lamb féle eltolódás [ 1947 ]

Undulátor sugárzás; Szabadelektron lézer [ Motz, 1951,1953]

Szinkrotron sugárzás. Search light A ( y) 4e dg( y x( )) u ( ) A. I. Sokolov and I. I. Ternov, Synchrotron radiation. (Springer, Berlin, 1966).

Undulátor sugárzás, Szabadelektron lézer [ H. Motz, 1951,1953 ]

Undulátor sugárzás, Szabadelektron lézer [ Motz, 1951,1953]

E. M. McMillan [ 1945, 1950 ] Fermi, Teller, Alfvén, McMillan, Kozmikus sugárzás eredete. Milyen gyorsítási mechanizmus?

G. A. SCHOTT [ 1907 ]; Szinkrotron sugárzás G. A. Schott, Über die Strahlung von Elektronengruppen. Annalen der Physik (4) 635-660 (1907)

G. A. SCHOTT [ 1907 ]; Szinkrotron sugárzás, szuperradiancia

A. Schawlow, C. Townes, Optikai Mézer (1958)

Th. Maiman, Optikai Mézer : Rubin lézer (1960)

Az ELSŐ: K. SHIMODA [ 1962 ] An optical peak power of 10 kw/cm^2 was calculated to accelerate electrons by 10^9 ev/meter. K. Shimoda, Proposal for an electron accelerator using an optical maser. Applied Optics 1, 33-35 (1962)

K. SHIMODA [ 1962 ], Inverz Cserenkov Effektus. 1 n cos = 0 : a hullám fázisa nem változik az elektron helyén, nincs oszcilláció, hanem egy statikus gyorsító (vagy lassító) tér.

Szabadelektron lézer [Madey, 1971]. ( Lézer + Nagyberendezés )-fizika

Proc. Phys. Soc. London 32, 245-251 (1919-1920)

Inverz szabadelektron lézer [Palmer, 1972]. ( Lézer + Nagyberendezés )-fizika R P l I i f R l i i i P i l d F El i W i h P f S i R. Palmer, Interaction of Relativistic Particles and Free Electromagnetic Waves in the Presence of a Static Helical Magnet. J. Applied Physics 43, 3014-3023 (1972)

Inverz szabadelektron lézer [Palmer, 1972]. R P l I i f R l i i i P i l d F El i W i h P f S i R. Palmer, Interaction of Relativistic Particles and Free Electromagnetic Waves in the Presence of a Static Helical Magnet. J. Applied Physics 43, 3014-3023 (1972)

Inverz szabadelektron lézer [Palmer, 1972]. R P l I i f R l i i i P i l d F El i W i h P f S i R. Palmer, Interaction of Relativistic Particles and Free Electromagnetic Waves in the Presence of a Static Helical Magnet. J. Applied Physics 43, 3014-3023 (1972)

Inverz szabadelektron lézer [ későbbi iskola példa 1988-ból ]

Elektroncsomag mozgása a fázistérben J L B bi Pl i d i f l lé I R B if i L D S l S d C P ll i i J. L. Bobin, Plasma assisted inverse free electron lézer. In R. Bonifacio, L. De Salvo Souza and C. Pellegrini (Eds.), High gain, high power free electron laser: Physics and application to TeV particle acceleration (North-Holland, Amsterdam, 1989) pp. 197-210.

Szabadelektron lézer erősítése lehet pozitív és negatív is Inverz F.E.L. s w 1 K 2 2 2 0 4N w r r G 1 1 cos 3 2 sin

LASER ACCELERATION OF PARTICLES [ Los Alamos, NM, USA, 1982 ]

LASER ACCELERATION OF PARTICLES [ Malibu, CA, USA, 1985 ]

Diszperzió [ F cm 2 1/ 2 0 /( V / cm)] 27.46[ I0 /( W / )] / c k 2 2 E p / k p / / c k 2 m e c /

A diszperziók különbözőségének kijátszása Paul L. Csonka, Near field laser accelerators. In Paul J. Channel (Ed.), Laser Acceleration of Particles. (Los Alamos, 18-23 February1982) ( AIP Conference Proceedings No. 91, AIP, NY, 1982) pp.213-236

A diszperziók különbözőségének kijátszása P l L C k N fi ld l l I P l J Ch l (Ed) L A l i f Paul L. Csonka, Near field laser accelerators. In Paul J. Channel (Ed.), Laser Acceleration of Particles. (Los Alamos, 18-23 February1982) ( AIP Conference Proceedings No. 91, AIP, NY, 1982) pp.213-236. AND: T. Weiland, Thin layer dielectric near field laser accelerator. Ibid. pp. 203-210.

Közeli teres gyorsító struktúrák. GRATING LINAC Palmer et al., Report of near field group. Laser acceleration of particles pp234-252 (AIP, N. Y.,1985). Fig.1

Plasma lebegőhullámos (beat wave) gyorsító. Becsapdázódás az erős lokális kváziszatikus térbe. Pl. A CO2 lézer két közeli vonala. C. Joshi, The plasma beat wave accelerator. Pp. 28-43. T. Tajima and J. M. Dawson, Laser acceleration by plasma waves. In Paul J. Channel (Ed.), Laser Acceleration of Particles. (Los Alamos, 18-23 February1982) ( AIP Conference Proceedings No. 91, AIP, NY, 1982) pp.69-93.

Nemrelativisztikus és relativisztikus intenzitások E( r, t) ef0 sin( t k r 0) f t 1.0 n 0.5 r / c t=1, j=-p2 B( r, t) n ef0 sin( t k r 0) F t 0.0-0.5 c k, e k, n k / k -1.0-2 -1 0 1 2 t T d dt m x ee c m 0dr( t) / dt e dr( t) ee( r( t), t) B( r( t), t) 2 2 1[ dr( t) / dt] / c c dt ef C 0 sin t c osc x osc 10 ef0 0 8.5 10 I mc

A bekapcsolás leírásának problémája. Halpern, Frenkel, McMillan Mill és a többiek. E( r, t) ef0 f ( t n r / c)cos( t k r 0) S. V & F. Ehlotzky, Z. Phys. D 22, 691-628 (1992) t z / c 1 t z / c 2 Ha a változóban kapcsolok be, akkor a t =0 időpont előtt is van kölcsönhatás. Ez klasszikus pontrészecskére megkerülhető, de a kvantummechanik ai leírásban már (súlyos) probléma.

O. Halpern: A kezdetiérték-probléma megoldása síkhullámban. Relativisztikus Hamilton-Jacobi-egyenlettel, speciális esetben. O. Halpern, Zur Theorie der Röntgenstrahlstreuung. Zetschrift für Physik 30, 153-172 (1924)

FROM TERAHERTZ [wº w 0 /900] TO XUV [wº 30äw 0 ], n c º 16500 z( t) ( / 2 ) 0 [ J k ( k ) / k]sin 2kt k 0 /(1 0 2 / 4)

Ponderomotoros potenciál, nemlineáris törésmutató filamentáció [ búvópatak, Star Wars ], LASER FOCUS accelerator (Heinrich Hora) U p ( 13 2 r ) 2.5 10 I [ ev ] e r 2 / w 2

Copied from A. Caldwell s presentation, Novel accelerators... [ IZEST : INTERNATIONAL ZETA-EXAWATT SCIENCE AND TECHNOLOGY. ] Launching Workshop, Ecole Polytechnique, 28-29 November, 2011. Paris, France.

Copied from A. Caldwell s presentation, Novel accelerators... [ IZEST : INTERNATIONAL ZETA-EXAWATT SCIENCE AND TECHNOLOGY. ] Launching Workshop, Ecole Polytechnique, 28-29 November, 2011. Paris, France.

Gyűrű: P ~ (E/M)^4; Lineáris [ 500 1000 GeV ] > 30km ( >10^9 USD )

PeV Fermi [ 1954 ]

Bubble accelerator: Egy speciális wake- Bubble accelerator: Egy speciális wakefield, skálázható plazmás gyorsító

New: Thin layers as targets Abstract of Meyer-ter-Vehn s Presentation at LEI-2011 Szeged 2011.

In this paper Sommerfeld presents a special (non-relativistic, perpendicular incidence in vacuo) exact solution of the coupled Maxwell-Lorentz equation of a thin current sheet interacting with radiation of arbitrary temporal dependence (spectral decomposition). We have generalized this to arbitrary substrate, angle of incidence and to the relativistic regime.

Thin layer as an active boundary I. Earlier studies E( r, t) ef0 f ( t n r / c)cos( t k r 0) Surface current along the lattice 0.1 0.001 0.00001 reflected spectrum at 85 degree 1 0.8 0.6 0.4 0.2 4th harmonic : v = 3.401 normalized intensit y 1 0.8 0.6 0.4 0.2 attosecond pulses from the plateau region 0 2 4 6 8 10 normalized frequency v 0 1 2 3 4 5 6 carrier - envelope phase difference - 2-1 0 1 2 t T S. V., Scattering of a few-cycle laser pulse on a thin metal layer : the effect of the carrier-envelope phase difference. Laser Physics Letters 1, No. 1, 42 45 (2004) / DOI 10.1002/lapl.200310010 S. V., Scattering of a few-cycle laser pulse on a plasma layer : the role of the carrier envelope phase difference at relativistic intensities. Laser Physics Lett.ers 4, No. 3, 218 225 (2007) / DOI 10.1002/lapl.200610096 S. V., Linear and nonlinear absolute phase effects in interactions of ulrashort laser pulses with a metal nano-layer or with a thin plasma layer. Laser and Particle Beams 25, 379 390. (2007) / DOI 10.1017/S0263034607000250 S. V., Intensity effects and absolute phase effects in nonliear laser-matter interactions. In Laser Pulse Phenomena and Applications ( Ed. F. J. Duarte, InTech Publisher, 2010 ) Chapter 12, pp. 243-266. 266

Thin layer as an active boundary II. General method E 1 Einc Erefl F F F ( 1) ( inc) ( refl) F F ( 3) ( trans) [ Ey1 Ey3] z0 0, [ Bx 1 Bx3] z0 (4 / c) K y2 ( 4 / c ) K 2 ( m / c ) ( d / dt ) y Charge displacement in layer Surface charge density 2 2 2 ( e / m c) l2ne ( p / 0) ( l2 / 0) 0 Relativistic Equation of Motion for surface charge displacement du (total ) / d ( e / m c) F u F y ( total ) F ( inc) F[ ( )] 0 surface Unknowns: reflected wave f1, refracted waves g3, surface current K2

Graphene basics V. Free suspended one atom layer above trench

Semi classical approximation [Outline II. ] t ( y d e F d m c f f )sin ( z y c 0 2 z )cos z0 2 cos ( / 2)sin 1 ( / 2) t 2 bt t nf t b e 1( ) ( ) duf ( u) 0 0 bt ( t)... F0e cos[ 0 ( 0 ) b( 1 e bu )] Retarded time at the surface Watson transform of the incoming field 3 ~ 510 0 CE phase dependent quasi static wakefield

Quasi static wakefield [ rectification in reflection; illustration ] I 10 cm 12 0 10 W / 2 3% 100000V / cm [ F cm 2 1/ 2 0 /( V / cm)] 27.46[ I0 /( W / )] S. Varró, Graphene based carrier envelope phase difference meter. Presentation at LEI-2011 Szeged 2011.

Picture copied from: W. Leemans, Laser plasma accelerators development and the BELLA Project at LBNL. Presentation at LEI-2011 Szeged 2011.

Picture copied from: W. Leemans, Laser plasma accelerators development and the BELLA Project at LBNL. Presentation at LEI-2011 Szeged 2011.

Picture copied from: Cs. Tóth, Longitudinal density tailoring of a tunable lase plasma accelerator. Presentation at LEI-2011 Szeged 2011.

Picture copied from: Cs. Tóth, Longitudinal density tailoring of a tunable lase plasma accelerator. Presentation at LEI-2011 Szeged 2011.

ÖSSZEFOGLALÁS [ -verzió verzió ] Az extrém lézerekkel egzotikus fizikáról lásd pl 2011. szept. 13. előadást. A lézeres fúzióról (inverz többfotonos Bremsstrahlung-gal lézeres plazmafűtésről) nem volt szó. Ak koherens kontrollról sem volt szó. A töltött részecskék gyorsítási mechanizmusait a 30-as évektől vizsgálták részletesebben [ ciklotron, később szinkrotron, Lawrence, McMillan, Veksler]. A mostani lézeres gyorsítási mechanizmusokkal a kozmikus részecskék keletkezésével kapcsolatban már Fermi (1949), Teller (1951), Alfven (1951), McMillan foglalkoztak. + A II. Világháború után a mikrohullámú technika Nagyon sok szép elméleti eredmény (javarészük szimuláció, koncepcionális újdonság nincs). A sokféle rendszer küzül a plazmás gyorsítók vannak preferálva. Nem tipikus, hogy van tiszta kísérlet. Kivétel: pl. A Plasma wake field esetben ~ 10 Gev 65 cm-en. Kompakt rendszernek: valamilyen near field (grating linac)? Tömegtermelés. Nehéz az eredmények követése. Búvópatak? Potyemkin? Szinkronizálás és Koherencia? A statisztikus leírás csak nyomokban létezik. Magasabbrendű koherencia (HBT) szerepe?... Relativisztikus transzport egyenletek általánosítása a kvantum tartományba (pl rel Relativisztikus transzport egyenletek általánosítása a kvantum tartományba (pl. rel. Wigner függvény stb alkalmazása az adott konkrét esetekre)?...