Az ELI projekt ( szuperlézer ) Dombi Péter MTA Szilárdtestfizikai és Optikai Kutatóintézet Budapest
Idő (másodperc) 10 18 ősrobbanás Időskálák a természetben Idő (másodperc) Szívverés 1 10 15 harmadkor/oligocén Légy szárnycsapásai 10-3 milli 10 12 33,000 éve Homo neanderthalensis Leggyorsabb fényképezőgép zársebessége 10-6 mikro 10 9 33 éve Processzor órajele 10-9 nano 10 6 116 nap Molekularezgések 10-12 piko 10 3 1 órányi zene CD-n Elektronok mozgása az atomban 10-15 femto 1 másodperc 10-18 atto
Időskálák a természetben 1 fs 1 perc 1 perc a világegyetem kora 1 másodperces lézerimpulzus hossza: Föld-Hold távolság 1 fs-os lézerimpulzus hossza: 300 nm (1 as: 3 Ǻ attoszekundum / Ǻngström)
Legrövidebb lézerimpulzusok hosszának változása 10000 1000 festéklézerek (600 nm körül) Ti:zafír-lézer (800 nm) Ti:zafír, komprimált izolált attoszekundumos impulzusok (15 nm) impulzushossz (FWHM, fs) 100 10 1 komprimált optikai ciklus hossza (2,7 fs @ 800 nm) 0,1 optikai ciklus hossza (50 as @ 15 nm) 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 év
Mire jók a rövid lézerimpulzusok? 1. Ultragyors folyamatok időfeloldott viszgálata Legjobb időbeli felbontás csak optikai módszerekkel lehetséges jelenleg 10-16 másodperc!!! (vö. elektronikus eszközök max. 10-11 s körüli feloldás) 2. Extrém mértékű energiakoncentráció térben és időben Ultrarövid impulzusidőtartam extrém nagy intenzitás (teljesítmény/felület)
Fókuszált intenzitás d w f w ~ f λ / d I ~ E imp d 2 / τ imp f 2 λ 2 Jelenlegi maximum ~ 10 22 W/cm 2
Heisenberg-reláció: ΔE Δt ħ Elektromágn. hullámra: Δω τ 1 Δω ω lézerimpulzus τ t Rövid τ impulzushossz csak extrém nagy Δω sávszélességgel: τ ~ 1 / Δω
Ultrarövid időtartam extrém nagy sávszélesség 4 fs-os lézerimpulzus spektruma: (Yakovlev, Dombi, 2003)
Ultrarövid lézerimpulzusok Electric field strength (a.u.) 1.0 0.5 0.0-0.5-1.0 ϕ=0 ϕ=π/2 E L (t)=a(t)cos(ω L t+ϕ) -8-4 0 4 8 1/f r A(t) ϕ=π Time (fs) 2/f r ϕ=3π/2 3/f r 1. Kevés optikai ciklus a gaussi burkoló alatt 2. nemcsak a burkoló alakja, hanem a tér tényleges lefutása számít
Perturbatív tartomány Fény-anyag-kölcsönhatás különböző intenzitástartományokban Erős tér tartomány χ (2) - folyamatok - másodharmonikus-keltés - optikai parametrikus folyamatok - optikai egyenirányítás (THz-es sugárzás előállítása) χ (3) - folyamatok - harmadharmonikus-keltés - stimulált Raman-szórás - önfázismoduláció - önfókuszálás klasszikus, perturbatív nemlineáris optika küszöbfeletti ionizáció kettős ionizáció lézeres abláció magasharmonikus-keltés (XUV) attoszekundumos impulzusok keltése ön-defókuszálás extrém nemlineáris optika Relativisztikus tartomány plazmafizikai folyamatok röntgenlézerek lézeres elektrongyorsítás (MeV-...) lézerindukált magfúzió ill. részecskekeltés (pozitron, pion, neutrínó?) laboratóriumi asztrofizika 10 11 10 12 10 13 10 14 10 15 10 16 10 17 10 18 10 19 10 20... - 10 23 Intenzitás (W/cm 2 ) 10 8 10 7 10 6 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 10-1... 10-4 Lézerimpulzusok tipikus ismétlési frekvenciája (Hz)
Hogyan lesz a femtoszekundumból attoszekundum? 1 optikai ciklus 800 nm-es hullámhossz mellett: 2,7 fs attoszekundumhoz 2-3 nagyságrenddel rövidebb hullámhossz kell! megoldás: magasrendű harmonikus-keltés
Hogyan lesz a femtoszekundumból attoszekundum? 1. tunnelionizáció a lézerimpulzus E-terében Laser electric field, E L (t) Ψ free (t) 2 e 3/ 2 Wb k E (t) L W b Ψ free
2. az e klasszikus mozgása a lézerimpulzus E-terében 3. rekombináció az ionnal, magasharmonikus foton kibocsátása Laser field E L (t) Hogyan lesz a femtoszekundumból attoszekundum?
Miért attoszekundum? electron core 1 attoszekundum (=1/140 keringési idő a Bohr-modellben) Térben: d cτ = 3 10 10 cm/s 10 18 s = 3 10-8 cm = 0,3 nanometer Attophysics meets Nanophysics Atomi belső héjak dinamikájának vizsgálata az attoszekundumos időskálán és Angström-ös térbeli felbontással
Alkalmazás: attoszekundumos feloldású Auger-emisszió dn dw W kin Valence Auger Core 0 X-ray photon W h W 1 W 2 τ x... duration of x-ray pulse τ h... decay time of core hole W bind
Az első láthatóvá tett optikai hullám Goulielmakis et al., Science 305, 1267 (2004)
Attoszekundumos tudomány, magyar vonatkozások Első javaslat: Farkas Győző, Tóth Csaba (MTA SZFKI, 1992), Első kísérleti bizonyíték: Krausz Ferenc (Bécsi Műszaki Egyetem Max Planck Intézet, 2001) Attoszekundumos tudomány (~80 Nature/Science publikáció 2001-2010 között) attoszekundum, hivatkozás/év
Lézeres elektrongyorsítás Lorentz-erő: F = q (E + v x B) Nagy intenzitásoknál elektron a lézernyaláb irányába gyorsul
Rákterápia részecskenyalábokkal
Rákterápia részecskenyalábokkal helyett:
Intenzív femtoszekundumos lézerek legújabb alkalmazásai Attoszekundumos (atom- és molekulafizikai) folyamatok vizsgálata, időfeloldott mérések hatékony lézeres részecskegyorsítás pár cm-es hosszon GeV-os nyalábenergiákig rákterápia protonnyalábbal laboratóriumi asztrofizika fotonukleáris fizika (lézerindukált magreakciók) újfajta koherens röntgenforrások kutatása orvosi, anyagszerkezeti stb. kutatások nukleáris hulladék ártalmatlanítása stb. stb.
ELI célkitűzések 1. Ultranagy fókuszált intenzitás 2. kevés optikai ciklusból álló (néhány fs-os) lézerimpulzusokkal 3. olyan kísérletek elvégzéséhez, amik más nagy lézerberendezésekkel nem valósíthatók meg
Előkészítő fázis 2008 2011: - Bulgaria - Czech Republic - France - Germany - Greece - Hungary - Italy - Lithuania - Poland - Portugal - Romania - Spain - United Kingdom
Magyar résztvevők
Az ELI projekt (Extreme Light Infrastructure) EU nagyberendezés, 3 helyszínnel: Prága, Szeged, Bukarest magyar helyszín: attoszekundumos alkalmazások (röntgenforrás), 10 PW-os Ti:zafír erősítő fejlesztése lézeres részecskegyorsítás 100-150 állandó alkalmazott (kutató/mérnök/technikus) + felhasználók ( user facility ) Építés: 2012-13 / First light : 2015 Beruházás: 240 M
Attoszekundumos berendezés Beamline berendezés Fotonukleáris központ intenzív attoszekundumos impulzusok keltése nagy ismétlési frekvenciával Lézer által keltett röntgenforrások és részecskeforrások Lézer által keltett magfizikai folyamatok vizsgálata lézertechnológiai fejlesztések 10 PW osztályú erősítő alkalmazások orvosés anyagtudományban plazmafizikai kísérletek szinkronizált fény-, röntgen és részecskeforrások orvosi, biológiai, kémiai, anyagtudományi alkalmazások egzotikus, intenzitású fizika nagy
1. Attoszekundumos ág Synchro seed Erősítőlánc és targetterületek 1.5μ OPA 20mJ, 1kHz THz TA 20mJ, 1kHz Atto test and user target area Front end 1kHz 200μJ, Δλ>300nm Contrast: >10 11 OPCPA stages 1-4 1kHz, 180 mj OPA stage 5 1kHz, 700 mj OPA stage 6-8 1kHz, 5J Synchro seed 2. Nagyintenzitású ág KrF 248nm 1Hz, 1J, 250fs DPSSL Pump 1kHz Small scale TA 400mJ, 100Hz Medium intensity TAs 5J, 10Hz High intensity beam combination TA Front end 1kHz 200μJ, Δλ>300nm Contrast: >10 11 OPACPA stages 1-4 100Hz, 180 mj OPA stage 5-6 100Hz, 1.5 J Ti:S stage 1 10Hz, 25J Ti:S stage 2-3 <Hz, 400J Synchro seed DPSSL Pump 100Hz Nd:YAG 10 Hz Nd:Glass 0.1 Hz High Intensity PW TA
08 July 2010 Leendő helyszín Szeged mellett
Megvalósítási ütemterv 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 MoUs ELI Delivery Consortium Project Resource Assesment ERIC App. ERIC Established HiLASE technology development Laser technology development for the high-intensity pillar (France, Germany, UK, CZ, HU, others) Beamline facility Site preparation Building construction Installation of technologies Commissioning Attosecond facility Site preparation Building construction Installation of technologies Commissioning Highintensity facility Site choice Implementation