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
[ F0 /(V / cm)] 27.46 [ I 0 /(W / cm 2 )]1/ 2
‘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 ) 4 e d G ( 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 p 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. Palmer, R P l IInteraction i off Relativistic R l i i i P Particles i l and dF Free El Electromagnetic i W Waves iin the h Presence P off a Static S i Helical Magnet. J. Applied Physics 43, 3014-3023 (1972)
‘Inverz szabadelektron – lézer’ [Palmer, 1972] .
R. Palmer, R P l IInteraction i off Relativistic R l i i i P Particles i l and dF Free El Electromagnetic i W Waves iin the h Presence P off a Static S i Helical Magnet. J. Applied Physics 43, 3014-3023 (1972)
‘Inverz szabadelektron – lézer’ [Palmer, 1972] .
R. Palmer, R P l IInteraction i off Relativistic R l i i i P Particles i l and dF Free El Electromagnetic i W Waves iin the h Presence P off a Static S i Helical Magnet. J. Applied Physics 43, 3014-3023 (1972)
Inverz szabadelektron – lézer [ későbbi ‘iskola példa’ 1988-ból ]
Elektroncsomag mozgása a ‘fázistérben’
J. L. J L Bobin, B bi Plasma Pl assisted i d inverse i free f electron l lézer. lé In I R. R B Bonifacio, if i L. L De D Salvo S l Souza S and d C. C Pellegrini P ll i i (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.
1 1 K 2 4N 0 r G 1 cos sin s w w 3 2 r 2 2 2
LASER ACCELERATION OF PARTICLES [ Los Alamos, NM, USA, 1982 ]
LASER ACCELERATION OF PARTICLES [ Malibu, CA, USA, 1985 ]
Diszperzió [ F0 /(V / cm)] 27.46 [ I 0 /(W / cm 2 )]1/ 2
2 2 E / / c | k | / c | k | k p/ p
me c / 2
A diszperziók különbözőségének ‘kijátszása’ 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’ kijátszása
Paull L P L. Csonka, C k „Near N field” fi ld” laser l accelerators. l In I Paul P l J. J Channel Ch l (Ed.), (Ed ) Laser L Acceleration A l i off 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
f t n r / c
B(r, t ) n eF0 sin(t k r 0 )
t = 1, j = -p 2
0.5
F t
E(r, t ) eF0 sin(t k r 0 )
1.0
0.0
-0.5
c | k |,
e k,
n k/ |k |
-1.0 -2
-1
0
tT
1
2
m0 dr(t ) / dt d e dr(t ) B(r(t ), t ) eE(r(t ), t ) dt 1 [dr(t ) / dt ]2 / c 2 c dt
mx eF0 sin t eE c C
osc xosc eF0 0 8.5 1010 I c mc
A bekapcsolás leírásának problémája. Halpern, Frenkel, M Mill éés a többi McMillan többiek. k
E(r, t ) eF0 f (t n r / c) cos(t k r 0 ) t z / c 1
t z / c 2
S. V & F. Ehlotzky, Z. Phys. D 22, 691-628 (1992)
Ha a változóban kapcsolok be, akkor a t = 0 időpont előtt is van kölcsönhatás. E klasszikus Ez kl ik 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 w0/900] TO XUV [wº 30äw0 ], nc º 16500
z (t ) (0 / 2 ) [ J k (k ) / k ] sin 2kt k
0 /(1 02 / 4)
‘Ponderomotoros potenciál’ , nemlineáris törésmutató filamentáció [ ‘búvópatak’, Star Wars ],
‘LASER FOCUS’ accelerator (Heinrich Hora)
U p (r ) 2.5 10
13
I [eV ]e 2
r 2 / w2
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’ Bubble accelerator: Egy speciális wakefield, ‘skálázható’ plazmás gyorsító
‘New: New: Thin layers as targets 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” boundary I. Earlier studies
E(r, t ) eF0 f (t n r / c) cos(t k r 0 ) Surface current along the lattice reflected spectrum at 85 degree
4 t h h a r m o n ic : v = 3 .4 0 1
1
0.1
normalized intensity
0 .8 0 .6
0.001
0 .4
0.00001 0 .2
0
2 4 6 8 normalized frequency v
10
1
0
1 2 3 4 5 6 c a r r ie r - e n v e lo p e p h a s e d if f e r e n c e
attosecond ppulses from the pplateau region g
0.8 0.6 0.4 0.2
-2
-1
0 t T
1
2
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 S. V., Scattering of a few-cycle 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 A li ti Applications ( Ed. Ed F. F J. J Duarte, D t InTech I T h Publisher, P bli h 2010 ) Chapter Ch t 12, 12 pp. 243-266. 243 266
Thin layer as an „active boundary” boundary II. General method
E1 E inc Erefl
F(1) F(inc ) F( refl )
F(3) F(trans )
[ E y1 E y 3 ]z 0 0, [ Bx1 Bx 3 ]z 0 (4 / c) K y 2 (4 / c) K y 2 (m / c) (d y / dt d) Surface charge g density y
Charge displacement in layer
2 (e 2 / mc)l2 ne ( p / 0 ) 2 (l2 / 0 ) 0 Relativistic Equation of Motion for surface charge displacement ( total )
du / d (e / m c) F
Unknowns: reflected wave f1,
u
F
( total )
F0
refracted waves g3,
( inc )
F [ surface ( )]
surface current K2
“Graphene–basics V.” „Free–suspended one–atom layer above trench”
Semi–classical Semi classical approximation [Outline II. ]
( y y ) sin ( z z ) cos t c z 0
Retarded time at the surface
d e cos ( 2 / 2) sin F0 d m c 1 ( 2 / 2) t
2 bt bu f1 (t ) nF0 (t ) b e duF ( u ) e 0
Watson transform of the incoming field
f1 (t ) ... F0 e bt cos[0 (0 )b( )] ~ 5 10 3 0 CE phase–dependent quasi – static wakefield
Quasi – static wakefield [ rectification in reflection;; illustration ]
I 0 1012 W / cm 2 3% 100000V / cm
[ F0 /(V / cm)] 27.46 [ I 0 /(W / cm 2 )]1/ 2 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. ó Ak koherens h k kontrollról t ll ól sem volt lt szó. ó A töltött részecskék gyorsítási mechanizmusait a 30-as évektől vizsgálták részletesebben [ ciklotron, később szinkrotron, Lawrence, McMillan, Veksler]. A mostani lézeres gy 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). nincs) A sokféle rendszer küzül a plazmás gyorsítók vannak preferálva. 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. g Nehéz az eredmények y követése. ‘Búvópatak’? p ‘Potyemkin’? y Szinkronizálás és Koherencia ? A statisztikus leírás csak nyomokban létezik. Magasabbrendű koherencia (HBT) szerepe?... Relativisztikus transzport egyenletek általánosítása a kvantum tartományba (pl (pl. rel. rel Wigner függvény stb alkalmazása az adott konkrét esetekre) ?...
