Attoszekundumos impulzusok keltése és alkalmazásai

ELI-vel kapcsolatos tudományterületek

Attoszekundumos impulzusok keltése és alkalmazásai Varjú Katalin

2012. február 2.

Varjú Katalin: Attoszekundumos impulzusok keltése és alkalmazásai

1/53

SZEGED

2012. február 2.


2/53

attoszekundum (10-18s) • miért? • hogyan? • mire?

2012. február 2.


3/53

Mire jó egy ultrarövid (fs, as) impulzus? Rövid: •gyors folyamatok vizsgálata (pillanatfelvétel) Koncentrált •adott energia esetén nagyobb a teljesítmény

2012. február 2.


4/53

Rövid impulzus – nagy intenzitás 1) nagy teljesítmény/intenzitás eléréséhez csökkenteni kell az impulzushosszat 2) az impulzushossz csökkentéséhez növelni kell a keltő impulzus intenzitását

VR: 1,3 PW 80 as

2012. február 2.


5/53

Gyors-fényképezés

A labda „bemozdul” 2012. február 2.


6/53

„Gyors” folyamatok as

Bohr modell Torbit ~ 150 as

10-18

Femto-kémia Zewail, 1999

s

fs 10-15 s ps 10-12 s lézer

stroboszkóposµs fényképezés

10-6 s

ms 10-3 s

szem, fül mechanikus óra

1960 lézer

ns 10-9 s

100 s

103 s 106 s emberöltő

109 s 1012 s

1015 s Univerzum 2012. február 2.

1018 s

gyorsfényképezés

1878 E. Muybridge Varjú Katalin: Attoszekundumos impulzusok keltése és alkalmazásai

7/53

Mozgás/változás követése • Lassú folyamatok

• Szem feloldása: 25 képkocka másodpercenként

1 s = 0,04 s = 40 ms 25

• Gyors folyamatok

2012. február 2.


8/53

Az első mozgókép

1878 Muybridge, Palo Alto Track 1 s = 0,0005 s = 0,5 ms felvétel expozíciós ideje: 2000 2012. február 2.


9/53

A sebesség megjelenítése: pillanatfelvételek sorozata

1 s = 1 µs 1 000 000

Harold Edgerton, 1935 stroboszkópos felvételek

fast changes in the electron cloud around a krypton ion 2012. február 2.

1 s = 10 ns 100 000 000


10/53

Idő „fagyasztási” technikák 1878 E. Muybridge

mechanikus zár: ms

1937 H.E. Edgerton

elektronikusan szinkronizált vaku: µs-ns

2012. február 2.

A. Zewail, 1999

lézeres pumpa-próba: ps – fs – as


11/53

Pumpa-próba eljárás • időzítés • rövid vaku 100fs ⋅ 0,3

µm = 30µm fs

próba pumpa

2012. február 2.

A. Zewail, 1999


12/53

Karakterisztikus idők

10fs

100fs

Elektron jelentőssége: fény emisszió Krausz, Ivanov, RevModPhys 81 163 (2009)

2012. február 2.

biológiai jelek továbbítása kémiai kötések manipulálása jel-feldolgozás sebessége


13/53

attoszekundum (10-18s) • miért?

• hogyan? • alkalmazások

2012. február 2.


14/53

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


2012. február 2.

15/53

Nagy sávszélesség? „YAG” 532 nm

τ = 10ns , ∆ω =

„Ti:S” 800 nm „világrekord Ti:S” 800 nm

4 ln 2

τ

τ = 12fs , ∆ω =

= 2,77 × 10 −7

4 ln 2

τ = 3,8fs , ∆ω =

τ

= 0,23

4 ln 2

τ

c 1 1 , ωl = 2π = 3,5 fs λ fs

1 1 c , ωl = 2π = 2,356 fs λ fs

= 0,73

1 1 c , ωl = 2π = 2,356 fs λ fs

„attoszekundumos” GHHG (q =20) c

τ = 0,17fs , ∆ω =

4 ln 2

τ

= 16,3

1 1 c , ωl = 2π = 47 fs λ fs

0

2012. február 2.


ωl

16/53

“Chirp”

ha a komponensek nem egyszerre érkeznek: - hosszabb impulzus - időben változó frekvencia 2012. február 2.


17/53

Hogyan lehet az impulzus hosszát csökkenteni?

min: Fourier limit

2012. február 2.

τ=

4 ln 2 ∆ω


18/53

Impulzushossz csökkenése

módusszinkronizálás Q-kapcsolás

10 ps

diszperziókompenzálás

1 ps

100 fs

lézer-anyagok

10 fs

1 fs

HHG

új fizika !

100 as

1970

1975

1980

1985

Idő

1990

1995

2000

2005


2012. február 2.

19/53

Impulzus kompresszió: sávszélesség növelése Pl. Self Phase Modulation ⎛ t2 ⎞ I (t ) = I 0 exp⎜⎜ − 2 ⎟⎟ ⎝ τ ⎠

φ (t ) = ω0t − n(I (t ))

&

2πL

λ0

ω (t ) =

2πLn2 dI dφ = ω0 − ⋅ dt λ0 dt

n( I ) = n0 + n2 I

ω (t ) = 2012. február 2.

4πLn2 I 0 dφ = ω0 + t λ0τ 2 dt


20/53

2012. február 2.


21/53

“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 Thomson szórás

2012. február 2.


22/53

Attoszekundumos (10-18s) impulzusok Lézer elven kelthető legrövidebb impulzus: 3,8 fs. DE a nagy intenzitású, femtoszekundumos lézerimpulzus felhasználható attoszekundumos impulzusok keltésére. A lézer kedvező tulajdonságainak átörökítése nagy sávszélességű, magasabb központi hullámhosszú tartományba: nemlineáris kölcsönhatás révén

XUV-röntgen

8 fs

~100 as világrekord: 80 as

2012. február 2.


23/53

Attoszekundumos impulzus keltés Gáz harmonikus keltés Plazma / felszíni harmonikus keltés Thomson-szórás

5-10 nm

Other ... 2012. február 2.


24/53

„Nagy” intenzitás? Elektromos tér? atomi elektron: E ( r ) = −

1

e 4πε 0 r 2

E ≈ 1011

r ≈ 10−10 m

V m

a fény e-m hullám, mekkora az elektromos térerősség? intenzitás = teljesítménysűrűség = |Poynting vektor| I = 3,5 mJ 20 fs (100µm ) = 1,75 ×1015 2

I =S=

W cm 2

1 1 2 Emax Bmax = ε 0cEmax 2 µ0 2

Emax =

2⋅ I V ≈ 1011 ε 0c m


2012. február 2.

25/53

Gáz magas harmonikus keltés (GHHG) perturbatív Nagy intenzitású femtoszekundumos lézerimpulzus > 1014 W/cm2

plató

levágás (cut-off)

nemes gáz atomok

Ferray, JPhysB, 21, L31 (1988)

széles sávú XUV

attoszekundumos impulzus sorozat Farkas, Tóth: Phys. Lett. A 168, 447 (1992)

Energy

2012. február 2.

Time


26/53

Gáz magas harmonikus keltés (GHHG) Ekin

Ekin+Ip

I alagút effektus II lézer térben kényszerrezgés III rekombináció, foton kibocsátás Schafer, PRL, 70, 1599 (1993) Corkum, PRL, 71, 1994 (1993)

Félklasszikus leírás: Az atomot a kvantummechanika segítségével írjuk le, de az elektromágneses mező hatását (a nagy foton-sűrűség miatt) klasszikus fizikai elvek szerint vesszük figyelembe.

2012. február 2.


27/53

Elektron lézertérben A lézertérben az elektron gerjesztett rezgőmozgást végez. átlagos mozgási energiája függ az e-m tér intenzitásától

E (t ) = E0 sin(ωt ) F = −eE = m&x&

Pl. 2·1014W/cm2, 800nm Up=12 eV cf. Ip=10-20 eV (nemesgázok) hν=1,55 eV 2012. február 2.


28/53

Szabad elektron a lézer terében: klasszikus leírás E (t ) = E0 sin(ωt )

v = 0 at ti

F = −eE = m&x&

eE0 [sin(ωt ) − sin(ωti ) − ω (t − ti ) cos(ωti )] x(t ) = mω 2

analítikus megoldás

1, az elektron visszatérhet 2, csak bizonyos ionizációs idő esetén tér vissza 3, a lézertértől nyert energia (~ sebesség négyzete ~ pálya érintője) az ionizációs időtől függ.

2012. február 2.


29/53

A visszatérő elektron energiája &x& = −

e E0 sin(ωt ) m

x(t ) =

eE0 [sin(ωt ) − sin(ωti ) − ω (t − ti ) cos(ωti )] mω 2

3,17 Up

2012. február 2.


30/53

Harmonic order

Következmények (klasszikus) Short Trajectory

29

Long Trajectory Cut-off

25 21 17 13 0.5

0.6

0.7 0.8 0.9 1 Return time (cycles)

max Ekin = 3,2 × U p

1.1

1.2

hν max = I p + 3,2 × U p

0

500

1000

1500

2000

Time (as)

2012. február 2.


31/53

Periodicitás

Mivel a fotonkibocsátás minden félperiódusban (a gáz izotróp) megismétlődik (időkép), a spektrumban 2ω távolságokban elhelyezkedő csúcsokat találunk.

2012. február 2.


32/53

Miért a páratlan felharmonikusok? A rendszer szimmetriája miatt (atom) a folyamat T/2 periódussal ismétlődik, vagyis a spektrum 2ω ismétléssel rendelkezik. (És természetszerűnek tűnik, hogy az ω komponenst tartalmazza...) 1

1

0.5

0.5

0

0

0.5

0.5

2ω 1

0

3ω 1

2

3

4

5

6

Kioltás 2012. február 2.

1

0

1

2

3

4

5

6

Erősítés


33/53

A harmonikus sugárzás időbeli alakja Spektrum

Nem attoszekundumos impulzusok!!

2012. február 2.


34/53

Attoszekundumos impulzusok: kísérleti megvalósítás

Harmonikus keltés

Szűrés/kompresszió

35 fs, 1 mJ, 800 nm

Ar

Al-szűrő

Írisz

Atto impulzus sorozat

Aluminum

2012. február 2.

López-Martens et al. PRL, 94, 033001 (2005)


35/53

Attoszekundumos forrás fejlesztése: 1, magasabb fotonenergia elérése („water-window”) 2, magasabb fotonszám (konverziós hatásfok, fázis-illesztés) 3, formálható impulzus 4, izolált impulzus (cutoff, time-gate, depletion)

2012. február 2.


36/53

Fotonenergia (cutoff: Ip+3,2·Up)

1, lézer intenzitás növelése korlát: a közeg ionizációja miatt romlik a fázisillesztés, és a közeg kimerül lehetőség: nagyon rövid impulzusok, kvázi-fázisillesztés 2, lézer hullámhosszának növelése korlát: lézer technológia probléma: a keltés hatásfoka ∝λ-(5-6) 3, ionizációs potenciál növelése (ionok használata) probléma: fázisillesztés

2012. február 2.


37/53

Izolált attoszekundumos impulzus

2012. február 2.


38/53

Intenzitás-kapu Brabec et al., 1999

250 as 1000 counts]] intensity [counts

τ = 5 fs, CEP-stabilizált

0

60

70 80 90 photon energy [eV] eV]

100

110

A. Baltuska: Nature 421, 611 (2003) M. Hentschel et al., Nature 414, 509 (2001) 2012. február 2.

• a cutoff spektrális szűrése • kis intenzitás • kis sávszélesség (impulzushossz)


39/53

Ellipticitás-kapu Budil et al., PRA 48, R3437 (1993)

multiple order λ/4

Sansone, Science 314 (2006)

2012. február 2.


40/53

Attoszekundumos impulzus keltés Gáz harmonikus keltés Plazma / felszíni harmonikus keltés Thomson-szórás

5-10 nm

Other ... 2012. február 2.


41/53

Plazma-tükör

2012. február 2.


42/53

2 mechanizmus


2012. február 2.

43/53

Koherens Thomson szórás Relativisztikus Doppler eltolódás

β = v/c ~

1− β 1 ≈ 1 + β 4γ 2

Sűrű, relativisztikus sebességgel repülő elektron-lap létrehozása (pár nanométer vastagságú fóliából)

V. V. Kulagin et al., Phys. Rev. Lett. 99, 124801 (2007). H.C. Wu, J. Meyer‐ter‐Vehn, et al. Phys. Rev. Lett.104, 234801 (2010).

Szükséges lézerimpulzus: ultra-nagy kontraszt (< 1012) ultra-nagy intenzitás 1019 – 1020 W/cm2 (ELI-ALPS) 2012. február 2.


44/53

attoszekundum (10-18s) • miért? • hogyan?

• alkalmazások

2012. február 2.


45/53

Impulzus-alak: sávkamera-analógia

Krausz, Ivanov, RevModPhys 81 163 (2009)

2012. február 2.


46/53

„optical-field-driven streak camera” elektron momentum

vektorpotenciál

lézer térerősség

∆p(t7) ∆p(t6)

elektron eloszlás

∆p(t5) 0 ∆p(t3)

impulzus időbeli alakja -500 as

0

∆p(t2) ∆p(t1)

500 as

time

Itatani: PRL 88, 173903 (2002) Kitzler:2. PRL 88, 173904 Varjú (2002) 2012. február Katalin: Attoszekundumos impulzusok keltése és alkalmazásai

47/53

A fényhullám megmérése

Gouliemakis et al. Science 305, 1267 (2004) 2012. február 2.


48/53

Molekula-tomográfia magasrendű harmonikusok keltése molekulákban a visszatérő elektron az iontörzsön szóródik elektron-eloszlás -> ionok elhelyezkedése

N2

Itatani: Nature 432, 867 (2004) 2012. február 2.


49/53

Auger-folyamat vizsgálata

Az M-héjon létrejövő lyuk élettartama 8 fs.

Drescher, Nature 419 803 (2002) 2012. február 2.


50/53

Attoszekundumos röntgen diffrakció Kristálytani analógia Atomi rendszerek elektroneloszlás dinamikájának megfigyelése.

Hidrogén atom 1S-2P állapotok szuperpozíciójában.

Krausz, Ivanov, RevModPhys 81 163 (2009) Varjú Katalin: Attoszekundumos impulzusok keltése és alkalmazásai

2012. február 2.

51/53

Ne ionizációja 2s illetve 2p pályáról: a 2p foto-elektron 21±5 as-ot késik a 2s foto-elektronhoz képest. XUV

Ne

e-

Schultze, Science 328 1658 (2010) 2012. február 2.


52/53

2012. február 2.


53/53

Attoszekundumos impulzusok keltése és alkalmazásai

Recommend Documents