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
2010. 09. 15.
3
Tematika téma
1
A kurzus ismertetése, a teljesítés feltétele. Ultrarövid impulzusok (fs és as). Spektrális és időkép.
2
Lézerfizikai és nemlineáris optikai bevezető
3
A móddusszinkronizált lézerműködés alapjai
4
Szélessávú szilárdtest-lézeranyagok
5
Femtoszekundumos lézerimpulzusok erősítése, impulzuskompresszió
6
Femtoszekundumos impulzusok karakterizálása
7
Optikai hullámformák szintetizálása és nagy pontosságú optikai frekvenciamérés femtoszekundumos lézerekkel. fs lézerek alkalmazásai (femtokémia és koherens kontroll, anyagmegmunkálás stb.)
Dátum
Szept. 13. Szept. 20. (DP) Szept. 27. (DP) Okt. 11. (DP) Okt. 18. (DP) SZFKI
8
Laborlátogatás (IDŐPONT!!)
9
Atomok erős lézertérben (optikai ionizáció, magasrendű felharmonikusok keltése, küszöbfeletti ionizáció stb.)
Nov. 8.
10
Attoszekundumos impulzusok modellezése
Nov. 15.
11
Attoszekundumos impulzusok előállítása: kísérleti aspektusok
12
Attoszekundumos impulzusok karakterizálása
13
Attofizikai jelenségek
Nov. 22. Nov. 29.
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. 2010/2011. tanév őszi szemeszter
Mennyi egy femto/attoszekundum? Másodperc (wikipedia): A másodperc az alapállapotú cézium-133 atom két hiperfinom energiaszintje közötti átmenetnek megfelelő sugárzás 9 192 631 770 periódusának időtartama.
Az idő léptéke HHG – atto impulzus sorozat
2001
fs-os pumpa-próba 1980 lézer 1960 stroboszkópos fényképezés 1900 szem, fül érzékelési határ.. mechanikus óra
1800
1300
10-15 s
10-9 s ms, µs
0.1 s- 0.1 ms
perc
Napóra 1500 BC nap, óra a Sirius heliákus kelése (Nappal egyidejű)
10-18 s
3100 BC év „emberöltő”
Karakterisztikus idők
10fs
100fs
„femtosecond barrier” T=
λ c
=
800nm = 2.67fs m 3 ⋅108 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 100 fs ⋅ 0,3
Pillanat-felvétel
Attofizika
µ fs
= 30 µ
Femto-kémia Zewail, 1999
as 10-18 s fs 10-15 s ps 10-12 s ns 10-9 s
1960 lézer
µs 10-6 s
szem
ms 10-3 s 100 s
103 s 106 s 109 s
ember
gyorsfényképezés
1012 s 1015 s
Univerzum 1018 s
1878 E. Muybridge
Energia – teljesítmény – intenzitás P=
E−
energia τ − felvillanási idő A − megvilágított terület
I=
E
teljesítmény
τ P E = A τ⋅A
teljesítmény sűrűség, intenzitás
Csúcsteljesítmény és átlagteljesítmény 0,1 s −2
E = 10 mJ = 10 J
τ = 35 ps = 35 × 10−12 s P=
E
τ
= 286 MW
csúcsteljesítmény
10-12 s
Ismétlési frekvencia 10 Hz, vagyis 1 s alatt 10 felvillanás, azaz az átlagos teljesítmény: P=
10 × E = 0,1 W 1s Paks: 4 × 465 MW = 1,86 GW = 1,86 × 109 W TeWaTI (SZTE): 35 mJ 20 fs = 1,75 TW = 1,75 × 1012 W ELI: EW=1018 W
„Nagy” intenzitás? Elektromos tér? atomi elektron: E ( r ) = −
1
e 4πε 0 r 2
r ≈ 10−10 m
E ≈ 1011
V m
a fény elektromágneses hullám, mekkora az elektromos térerősség? intenzitás = teljesítménysűrűség = |Poynting vektor| I = 35 mJ 20 fs (100µm ) = 1,75 × 1020 2
I =S=
Emax
W m2
1 1 2 Emax Bmax = ε 0cEmax 2 µ0 2
W 2 ⋅ 1,75 × 1020 2 V 2⋅ I m = = ≈ 1011 m As ε 0c m ⋅ 3 × 108 8,8 × 10−12 s Vm Intenzív fény – anyag kölcsönhatás
Mitől különleges egy ultrarövid impulzus? végtelen hullám (CW – continous wave):
E (t ) = E0 sin(ω0t )
rövid impulzus: több (szinkronizált) módusból áll
E (t ) = E0 sin(ω0t ) × e
⎛t ⎞ −⎜ ⎟ ⎝T ⎠
2
Ultrarövid impulzusok tulajdonságai Időbeli, illetve spektrális leírás
Rövid impulzus esetén:
E(t) = eiωl t e
− 2 ln 2
t2
τ2
τ: intenzitás FWHM
Fourier transzformálva:
E(Ω) = ∫ e e iωl t
− 2 ln 2
t
−
2
τ2
e −iΩt dt ∝ e
( Ω −ωl ) 2 4⋅2 ln 2
τ2
∆ω ⋅τ = 4 ln 2 = 2,77
Mennyire nagy ez a sávszélesség?
800 nm: nm:
6 nJ, 12 fs, 70 MHz 35 mJ, 20 fs, 10 Hz 530 nm: 0.2 mJ, 25 fs, 10 Hz 532 nm: nm: 360 mJ, 3 ns, 10 Hz 400 nm: nm: 2 mJ, 25 fs, 10 Hz 266 nm: nm: 140 mJ, 3 ns, 10 Hz
„YAG”:
„Ti:S”:
τ = 10ns , ∆ω =
4 ln 2
τ = 12fs , ∆ω =
4 ln 2
„világrekord Ti:S”
„attoszekundumos”
τ
τ
µm 0,3 1 c −7 1 fs = 3,5 ×1015 1 = 3,5 1 , ωl = 2π = 2π = 2,77 ×10 = 2,77 ×10 s fs 532nm s fs λ 8
µm 0,3 1 c fs = 2,356 1 = 0,23 , ωl = 2π = 2π fs 0,8µm λ fs
τ = 3,8fs , ∆ω =
4 ln 2
τ
τ = 0,17fs , ∆ω =
µm 0,3 1 c fs = 2,356 1 = 0,73 , ωl = 2π = 2π fs 0,8µm λ fs
4 ln 2
τ
µm 0,3 1 c fs = 47 1 = 16,3 , ωl = 2π = 2π 0,8µm λ fs fs 20
Ultrarövid impulzusok tulajdonságai
Térerősség:
E(t) ⋅ eiΓ (t ) = E(t) ⋅ eiϕ0 e iϕ ( t ) eiωl t Vivő frekvencia:
ω (t ) =
d d Γ(t ) = ωl + ϕ (t ) dt dt
időben változik:
1 2
ϕ (t ) = ϕ0 + ωl t + bt 2
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=0, Fourier limit
Csörp (időbeli kép) és GDD (spektrális kép) közötti kapcsolat φ (t ) = φ0 +
dφ 1 d 2φ 2 1 t+ t + K = φ0 + ωt + bt 2 + K 2 dt 2 dt 2
2 dΦ (Ω − Ω 0 ) + 1 d Φ2 (Ω − Ω 0 )2 + K dΩ 2 dΩ 1 2 = Φ 0 + GD(Ω − Ω 0 ) + GDD(Ω − Ω 0 ) + K 2
Φ (Ω ) = Φ 0 +
2aτ G = 4(1 + a 2 ) 2
GDD =
b=
b2 +
b 16(ln 2) 2
GDD 16(ln 2) 2 GDD 2 + (∆Ω )4
τ4
⎛1 a ⎞ ⎜ b= 2⎟ ⎜2 τ G ⎟⎠ ⎝
Fény terjedése közegben Maxwell egyenletek:
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=0) az impulzus hossza duplájára nő 1,73 Ld 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 50 fs impulzusnak áthaladni, hogy duplájára nyúljon: fs 2 ″ kl = 4,5 × 10 − 2 µm
τp
τG
1,73Ld
5 fs
4,25 fs
208 µm
50 fs
42,5 fs
20,8 mm
Levegő?
fs 2 ″ kl = 21,28 ×10 −6 µm
τp
τG
1,73Ld
5 fs
4,25 fs
0,73 m
50 fs
42,5 fs
73 m
Miért nagyobb a nyúlás mértéke egy rövid impulzusnál? adott z vastagságú közegen való áthaladáskor: GDD=k”z
τ z = τ 0 1+ 4 ⋅
GDD 2
τG4
Hogyan lehet az impulzus hosszát csökkenteni?
Az anyagok általában pozitív GDD-vel rendelkeznek, emiatt az impulzusok terjedés során pozitív csörpöt „szereznek”. Kompenzálás: negatív GDD
Impulzushossz csökkenése forgási
10 ps
1 ps
rezgési
100 fs
módusszinkronizálás Q-kapcsolás
diszperziókompenzálás lézer-anyagok
10 fs
elektron
1 fs
100 as
HHG
új fizika !
Bohr modell Torbit ~ 150 as 1970
1975
1980
1985
Idő
1990
1995
2000
2005
Impulzus kompresszió - SPM
“Breaking the femtosecond barrier” Corkum: Opt. Phot. News 6, 18 (1995) optikai hullámhossz, 800nm 3,8 fs, 1,5 periódus Schenkel: Opt. Lett. 28, 1987 (2003)
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
szabad részecskék plazma
