A WIGNER FIZIKAI KUTATÓKÖZPONT SZEREPE AZ ELI-BEN

A WIGNER FIZIKAI KUTATÓKÖZPONT SZEREPE AZ ELI-BEN CZITROVSZKY ALADÁR

IV. ILAS TATABÁNYA 2014. 11.12.

A WIGNER FIZIKAI KUTATÓKÖZPONT SZEREPE AZ ELI-BEN TARTALOM: • Előzmények

Az intézet bemutatása, az infrastruktúra ismertetése • Az

ELI-program - a helyszínpályázattól az ELI-ALPS-ig

• Az Attoszekundumos impulzusok generálása • Roncsolási küszöb mérése • Interferometrikus mérések • Optikai felületek minősítése és vékonyréteg technológia, egyebek • Összefoglaló

Wigner Research Centr for Physics

27 ha

Wigner Research Centre for Physics Institute for Solid State Physics and Optics

Gázlézer laboratórium

Laser Physics Lab

Tunable 100 fs-os Ti:saphire laser developed in the Institute

High Intensity Light Matter Interactions Lab

Long-cavity (chirped-pulse) oscillator – P. Dombi

L – 80 m

Femtosecond Laser Laboratory

Laser pulse compression

Femtossecond laser system

Development of solid state CW lasers Tükör

Fókuszáló lencse

Eltérítő (behelyezhető) tükör

Opt. elem

Nd:YAG Lézer hűtőrendszer

Opt. elem Nd:YAG Lézer tápegység

Teljesítmény mérő

Nd:YAG solid state laser, 1.064 micron wavelength, 6.3 mm beam diameter, Laser power 125 W CW Laser beam divergence ~ 2 mrad Pilot laser: 5 mW He-Ne laser 0.632 micron wavelength

Testing of ballistic ball-proof vest 10 mm thickness (white inset, coated with textile) burn-through time - several sec

Small size (standard) brick Among others the brick consists of silicium (quartz) which has melting point above 1200 °C. When we start the irradiation, the absorption is high enough to melt the material of the brick. When the brick is melted a dark glass like material builds up with high reflexivity (smooth surface), which acts as a mirror for the irradiating beam. When this „mirror” become larger then the beam waist the whole beam is reflected from the surface. Because of this effect we were unable to burn through the whole brick. The depth of the obtained craters practically does not change after ~30 seconds and is around 5-6 mm.

Raman-, fluorescent-spectroscopy and samplepreparation

Crystal technology

PC controlled crystal growing Facility

Crystal technology

Development of data evaluation electronics and software

Preparatory Phase of ELI 2008 – 2012

- Bulgaria - Czech Republic - France - Germany - Greece - Hungary - Italy - Lithuania - Poland - Portugal - Romania - Spain - United Kingdom

European Strategy Forum on Research Infrastructures

Other Laser Projects

HiPER (High Power laser Energy Research Facility) - 2012? Facility dadicated to demonstrating the feasibility of laser driven fusion

IFMIF (International Fusion Materials Irradiation facility) www-dapnia.cea.fr JHR (Jules Horowitz Reactor)

ELI az első alapkutatási célra fejlesztendő infrastruktúra, amely egy szuper teljesítményű lézerre épül 1023-25 W/cm² ultrarelativisztikus kölcsönhatások. A kifejlesztendő lézer ~1000-szer nagyobb teljesítményű lenne, mint a jelenleg létező lézerek (Laser Mégajoule – Franciaországban, National Ignition Facility (NIF) az USA-ban). A nagy teljesítmény nemcsak a nagy energiának, de az igen rövid impulzusnak is köszönhető (femtosec., attosec.). Az ilyen rövid impulzusok lehetőséget adnának pl. az atomon belüli változások vizsgálatára új időskálán, a fény elektromos tere által történő nagy energiájú részecske gyorsításra töltött részecskék esetén (újfajta gyorsítók), az anyag és a fény újfajta kölcsönhatásának vizsgálataira atto- (10-18) és zepto-sec (10-21)-os skálán, stb.

Tudományos kérdések: Nemlineáris QED, Párkeltés, Vákuum polarizáció, Nagyon nagy energia akkumulálása plazmában (rövid idő alatt a plazma nem tud szétrepülni), Rövid elektromágneses impulzusok létrehozása, Lézerimpulzus szórása az általa létrehozott elektronokon – koherens Thomsonszórás, Ultra-rövid nagy teljesítményű Xsugarak generálása, Magfizika, Nagy energiájú fizika, asztrofizika, Relativitás elmélet.

Műszaki kérdések: Új technológiák kifejlesztése az optikai méréstechnika területén, Új eljárások kimunkálása az optikai vékonyréteg gyártás területén, Meglévő technológiák innovatív alkalmazása, stb. A berendezés megépítése során felmerülő műszaki kérdések megoldása (stabilitás, reprodukálhatóság, biztonság, stb.) Alkalmazások: Onkológia, Új atomreaktor fűtőelem kezelés, Új fajta részecskegyorsítók létrehozása és alkalmazása, A >1025 W/cm² teljesítmény sűrűség igen rövid időskálán új fény-anyag kölcsönhatásokat generál - pumpa-próba kísérletek, más nagy időbeli felbontású optikai méréstechnika, stb.

Site competition APPLICATION FOR HOSTING

EXTREME LIGHT INFRASTRUCTURE IN HUNGARY Hungarian 4 C-s for ELI: Competitiveness, commitment, competence, cooperation

National Office for Research and Technology HUNGARY-1117, Budapest, Neumann J. u. 1/c Tel.: +36 1 484 2500 Fax: +36 1 318 7998 e-mail: [email protected]

Attosecond facility

Beamline facility

Photonuclear facility

Attosecond sciences applications

Beamline generation of secondary sources for science and applications

Laser-induced nuclear physics for science and applications

&

•High rep rate generation of attosecond XUV pulses •Attosecond physics with relativistic High Order Harmonics •Twin 10-PW beamlines •Synchronized XUV / Xray and IR facility •Material and biological applications of attosecond pulses

•X-ray sources driven by ultrashort laser pulses •Particle acceleration by lasers •Applications in molecular, biomedical, and material sciences •Plasma and high energy density physics •Exotic physics and theory

•Development of Nuclear Physics methods to study laser-target interaction •Exploratory Nuclear Physics Studies •New photo-nuclear physics

A helyszín: Szeged

The site is Szeged

34

ELI-ALPS (Attosec. Laser Pulse Source)

Az ELI ALPS látványtervei

planet orbiting & rotation visible object motion coupling to the vacuum & molecular rotation molecular vibration & chemical reaction electronic motion & e-e correlations

age of the mankind

age of the universe

as VUV/x-ray techniques

time / seconds stop watch

optical camera technologies diaphragm fast electronics

Az elektronikai és az optikai módszerek sebességének fejlődése. Optikai Q-Switch, Dye attoszekundumos impulzusok I=kW/cm2 generálása. Modelocking, Dye Exotikus fizika –nagy 2 I=MW/cm intenzitások Másodlagosforrások - rövid Mode-Locking hullámhosszú 2 I=GW/cm sugárzás, részecskegyorsítás.

Relativistic and Ultra R Atto, zepto….?

The main parts of ELI ALPS Schematic of the main laser sources and amplification areas

Schematic of secondary sources and target area

Primary and secondary sources of ELI-ALPS

A The CPA technique Compression

Oscillator

Stretcher

Amplifier

Attosec. targer chamber

Compressor

HHG Attosec. source

Gérard Mourou, 1989-1990 Chirped-pulse amplification of 100-fsec pulses Maurice Pessot, Jeff Squier, Gerard Mourou, and Donald J. Harter Optics Letters, Vol. 14, Issue 15, pp. 797-799 (1989)

Attosec. targer chamber

Gy. Farkas, F. Krausz, 1992, 2000

HELIOS 1 – 1 KHz, 4,3 mJ, 31 fs SYLOS 1 – 1 kHz, 30 mJ, 10 fs

Femtosecond lasers Fényforrás: • Regeneratív erősítő • Eimp=4,1 mJ, τ =30-35 fs, λ= 800 nm • frep= 1kHz

Tisztatér: • részecskeméret > 0,3 µm •1 cf3 (2,83 l) 3000-4000 db

Mérési összeállítás • Vákuumkamra: ~10-6 mbar • gázjet 1 Hz-es ismétlési frekvenciával • fókuszálás f = 30 cm I ≈ 9,5 ˟ 1015 W/cm2 • Emax ≈ 2,7 ˟ 109 V/cm

Generation of attosecond laser-pulses on Ar-plasma-jet

Az attoszekundumos időtartam szemléltetése

Extrém rövid időtartam: elektron

atommag

1 attosec (=1/140 Bohr-körülforgási idő)

Térben: d ≈ cτ = 3·1010 cm/s · 10–18 s = 3·10-8 cm = 0,3 nanométer

Az Attofizika találkozik a Nanofizikával !!! Új kísérleti eszköz az atom belső dinamikájának attoszekundumos időbeli, ill. nanométeres térbeli skálán történő felbontásához.

ATTOSZEKUNDUMOS IMPULZUSOK KELETKEZÉSE

(BUDAPEST KFKI)

A kibocsájtott harmonikusok frekvencia-spektruma: E spektrum az attoszekundumos impulzusok alapja

2ωL Intenzitás

plateau

ωk küszöb

frekvencia

~1000

- Szokatlanul széles ∆ω ~1000 ωL - A komponenseket a lézertér fázisban kötve rezgeti - Összelebegés várható

ωL

A periodikus frekvenciaspektrumból a Fourier-eljárás szerint időben ωL/2 szerint periodikus impulzusok

n0+N-1

I(t) ∝

Σ

n=n0

2

exp[ i(2n+1)ωt ] =

sin2(NωLt) sin2(ωLt)

Intenzitás

sorozata következik, melyek időbeli hossza τ ~ 1/∆ω. Időbeli alakjuk:

~ Attosec

Követési távolságuk: τL/2 = fél lézer periódus. Félszélességük a plateaut tekintve:

τ = 1/(2NωL); N=10-nél τ ≈ 30·10-18 = 30 attosec. Az intenzitás: 1 µm2-re fókuszálva: 1015 W/cm2 (Petawatt/cm2)

MTA – SZFKI

ELI -related femto- and attosecond technologies

Research Institute for Solid-State Physics and Optics (RISSPO) Budapest (the „birthplace” of attophysics – interview with Prof. FARKAS ELI Courier, 1/2009)

Calibration of the mass sp. using Carbon foil

Ion kinetic energy distr. of the C2+ion At low and high intensity

Fragment of time-of-flight spectrum in the Neighborhood of m/z = 41,42 and 43 lines

Gy. Farkas, Phys. Rev. Lett. 43, 1243 (1979) Gy. Farkas, S. L. Chin et al. Opt. Comm. 48, 275 (1983) L. A. Lompré, G. Mainfray, C. Manus, Gy. Farkas, C. Toth, S. D. Moustaizis et al., Phys. Rev. A 46, R3605 (1992) Gy. Farkas and C. Toth, Phys. Lett. A 168, 447 (1992)

Magas-harmonikus keltés hatásmechanizmusa nemesgáz atomokon

Magas-harmonikusok keltése és spektroszkópiája

~ 10-6 mbar 2-3 mJ -30-35 fs

Mérési összeállítás • Vákuumkamra: ~10-6 mbar • gázjet 1 Hz-es ismétlési frekvenciával • fókuszálás f = 30 cm I ≈ 9,5 ˟ 1015 W/cm2 • Emax ≈ 2,7 ˟ 109 V/cm

Background

35 fs/4 mJ/1 kHz

Magas-harmonikusok keltése Ar gázáramon

3 bar

•Konverziós hatásfok és cut-off növelése • THz-erősített felharmonikuskeltés megvalósítása (Balogh et al., Phys. Rev. A, 2011) • Harmonikuskeltés Xenon klasztereken

Az atomok mozgásának tanulmányozása, 1999 Nobel-díj

Nagy időfelbontású pumpa-próba kísérletek rövid impulzusokkal

A kísérleti berendezések

Atomi átalakulások megfigyelése

Testing of dielectric gratins and meas. of opt. thres. 0, 25 µJ (1 µJ with cavity dumping) 50 fs 3.6 MHz

MHz-range Ti:saphire laser 50 fs sub-µJ-pulses

Applications: • testing of dielectric gratins in fs pulse regime • measurement of opt. threshold P. Dombi, P. Antal, Laser Phys. Lett. 4, 538 (2007) P. Dombi et al., Appl. Phys. B 88, 379 (2007)

DPSS pump laser

Roncsolási küszöb mérése Roncsolási küszöb függése az impulzushossztól SiO2-re (fused silica). 600 lövés 10Hz-es rátával, állandó foltintenzitás sűrűséggel [Stuart et al. Phys. Rev. B, 53, 1996]

τ < 10ps Abláció Sokfotonos ionizáció Lavina ionizáció

τ > 50ps Olvadás Forrás Töredezés Termikus effektusok

Roncsolási küszöb mérése Main parameters: Pulse energy Spot size Pulse duration Rep. Rate Intensity

0.5 mJ 10 µm (FWHM) 35 fs (FWHM) 1 kHz 125 J/cm2

Roncsolási küszöb mérése Kráterméret Nagy osztás: 0.1mm

Fókuszkeresés

Roncsolási küszöb mérése (Dielektrikum tükör, TiO2-SiO2 24 rétegben, HR, 800nm, 45 fok, p-pol)

Roncsolási küszöb mérése Fölvétel sebessége: 250 fps 4 ms-onként Minden negyedik lövés!

Roncsolási küszöb mérése Fölvétel sebessége: 250 fps 4 ms-onként Minden negyedik lövés!

Roncsolási küszöb mérése





















UTOLSÓ

Amikor a termikus effektusok mégis számítanak…

A roncsoló nyaláb szóródása a felületi elváltozásokon: Érzékeny módszer tükörfelületek roncsolódásának kimutatására

Roncsolási küszöb mérések Thorlabs: ME1-G01, Al mirror 10 Locations with Damage

Locations without Damage

0.13

10

0

10

0.16

10

0

10

0.19

10

0

10

0.22

10

2

8

0.25

10

10

0

0.30

10

10

0

0.35

10

10

0

8

Exposure Sites

Fluence (J/cm2)

# of Tested Locations

6 4 2 0 0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6 2

Peak Fluence (J/cm )

1.8

2.0

Roncsolási küszöb mérések Ag mirror Fluence (J/cm2)

# of Tested Locations

Locations with Damage

Locations without Damage

0.95

10

0

10

1.11

10

0

10

1.19

10

0

10

1.27

10

0

10

1.35

10

2

8

1.43

10

5

5

1.51

10

9

1

1.59

10

10

0

1.67

10

10

0

1.75

10

10

0

0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0

1.83

10

10

0

Peak Fluence (J/cm )

10

Exposure Sites

8 6 4 2 0

2

Védőréteggel bevont Al tükör (ME1-G01, Thorlabs) Felület analízis: ZYGO 3D felület vizsgálóval (fehér fényű interferométer)

Védőréteggel bevont Al tükör (ME1-G01, Thorlabs) Felület analízis: ZYGO 3D felület vizsgálóval (fehér fényű interferométer)

Dielektrikum tükör (Ferencz Kárpát) ZYGO 3D felület vizsgálóval

Optikai felületek minősítése PC

Stabilization

Control Unit

Piezodriver

Laser

MINTA

Surface to be tested

Phase modulated interferometric system Reference and measuring beams:

ER = AR ( x, y ) ⋅ eiϕ R ( x , y )

EM = AM ( x, y ) ⋅ eiϕ M ( x , y )

Detector signal for each pixel (XY):

[

][

]

I D = (E R + EM ) ⋅ (E R + EM ) = AR ⋅ e iϕ R + AM ⋅ e iϕ M ⋅ AR ⋅ e −iϕ R + AM ⋅ e − iϕ M = ∗

= AR2 + AM2 + 2 AM AR ⋅ cos(ϕ M − ϕ R )

Interferometry for surface diagnostics Stabilization of the laser

Stabilization by the difference of the intensity of two modes

Stabilization by Lamb dip

∆I

I

I

∆I

ν0

ν

ν0

ν

Optikai felületek minősítése

Optikai felületek minősítése Interferometric surface diagnostics instrument Light source - frequency stabilised He-Ne laser, 2mW; Transversal resolution - ~ 1 nm; Field of view – 500 x 500; 300 x 300; 100 x 100 micron; Compensation of phase distortion; Fringe distance – L =316,4250 nm; Phase detection resolution 0,6180 nm; Phase shift – continuous – 0 - 2π; IF-2 evaluation software

Optikai felületek minősítése

Interferometry for vibration analysis

Phase sensitive detector system

Measuring arm

Reference arm

Interferometry for vibration analysis Phase detection of friges Patent No

D1

D3 λ/2

I D3

D2 D2

λ/4 D1 t

Vibráció mérés interferometrikus módszerrel

Fényszórás-mérő berendezés

3Ds Felületvizsgáló interferométer

neutronvezető

wd50

membrán

PDMSorganikus polimer

neutronvezető wd50

membrán



Optical coating thechnology

Optical coating laboratory with Balzers 1000 equipment, development of chirped laser miroors

Development of the first chirped laser mirrors invention and technological development of "chirped" dielectric laser mirrors (R. Szipőcs, 1993) shortest laser pulses (4.5 fs) was generated by a Ti:sapphire system utilizing chirped mirrors for dispersion compensation

Optical coating technology

Optilab Kft.

II. ELI-PP Szimpózium, 2009. február 20.

114


DENTON Integrity 36 equipment

Optilab Ltd.


115


DENTON INTEGRITY 36

Optilab Kft.


116

Optical coating technology and development of special optical layers

Development of laser measurement systems and instruments

Developed instruments

Developed instruments

Testing of the optical homogenity of optical elements

Co-operations R & D Ultrafast Lasers

Scientific Technical Development Ltd. Co.

OPTILAB Ltd.

Résztvevők: Krausz Ferenc, Farkas Győző, Dombi Péter, Ferencz Kárpát, Szipőcs Róbert, Tóth Csaba, Lenner Miklós, Horváth Zoltán, Nagy Attila, Oszetzky Dániel, Kerekes Attila, Kugler Szilvia, Kovács László, Veres Miklós, Tóth Sára, Koós Margit, Rácz Péter, Nagy Benedek, Kerekes Attila, Himics László, Rigó István

KÖSZÖNÖM A FIGYELMET

IV. ILAS TATABÁNYA 2014. 11.12.

A WIGNER FIZIKAI KUTATÓKÖZPONT SZEREPE AZ ELI-BEN

Recommend Documents