Az ELI projekt („szuperlézer”)
Dombi Péter MTA Szilárdtestfizikai és Optikai Kutatóintézet Budapest
Idő (másodperc)
Időskálák a természetben
1018
ősrobbanás
1015
harmadkor/oligocén
1012
33,000 éve Homo neanderthalensis
109
33 éve
106
116 nap
103
1 órányi zene CD-n
1
másodperc
Idő (másodperc) Szívverés
Légy szárnycsapásai
1 10-3 milli
Leggyorsabb 10-6 fényképezőgép mikro zársebessége Processzor 10-9 órajele nano 10-12 Molekularezgések piko Elektronok mozgása az atomban
10 -15 femto 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 festéklézerek (600 nm körül) Ti:zafír-lézer (800 nm) Ti:zafír, komprimált izolált attoszekundumos impulzusok (15 nm)
10000
impulzushossz (FWHM, fs)
1000
100
komprimált
10
optikai ciklus hossza (2,7 fs @ 800 nm) 1
0,1
optikai ciklus hossza (50 as @ 15 nm) 1970
1975
1980
1985
1990
év
1995
2000
2005
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~fλ/d I ~ Eimp d2 / τimp f2 λ2 Jelenlegi maximum ~ 1022 W/cm2
Heisenberg-reláció:
ΔE ⋅ Δt ≥ ħ
Elektromágn. hullámra: Δω ⋅ τ ≥ 1 Δω ω
τ t
lézerimpulzus
Rövid τ impulzushossz csak extrém nagy Δω sávszélességgel: τ ~ 1 / Δω
Ultrarövid időtartam → extrém nagy sávszélesség 4 fs-os lézerimpulzus spektruma:
(Yakovlev, Dombi, 2003)
Electric field strength (a.u.)
Ultrarövid lézerimpulzusok 1.0 A(t) 0.5 0.0 -0.5 -1.0
ϕ=π
ϕ=π/2
ϕ=0
ϕ=3π/2
EL(t)=A(t)cos(ωLt+ϕ) -8 -4 0
4
8
1/fr
Time (fs)
2/fr
3/fr
1. Kevés optikai ciklus a gaussi burkoló alatt 2. nemcsak a burkoló alakja, hanem a tér tényleges lefutása számít
Fény-anyag-kölcsönhatás különböző intenzitástartományokban Erős tér tartomány
Perturbatív tartomány χ(2) - folyamatok - másodharmonikus-keltés - optikai parametrikus folyamatok - optikai egyenirányítás (THz-es sugárzás előállítása)
küszöbfeletti ionizáció
magasharmonikus-keltés (XUV)
kettős ionizáció
attoszekundumos impulzusok keltése
plazmafizikai folyamatok
lézeres abláció
χ(3) - folyamatok - harmadharmonikus-keltés - stimulált Raman-szórás - önfázismoduláció - önfókuszálás
Relativisztikus tartomány
ön-defókuszálás
röntgenlézerek lézeres elektrongyorsítás (MeV-...) lézerindukált magfúzió ill. részecskekeltés (pozitron, pion, neutrínó?)
extrém nemlineáris optika
laboratóriumi asztrofizika
„klasszikus“, perturbatív nemlineáris optika
1011
1012
1013
1014
1015
1016
1017
1018
1019
1020... - 1023
10
1
10-1... – 10-4
Intenzitás (W/cm2) 108
107
106
105
104
103
102
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, EL(t) Wb3 / 2 −k E L (t)
|Ψfree(t)|2 ∝ e Wb
Ψfree
Hogyan lesz a femtoszekundumból attoszekundum? 2. az e– klasszikus mozgása a lézerimpulzus E-terében
Laser field EL(t)
3. rekombináció az ionnal, magasharmonikus foton kibocsátása
Miért attoszekundum?
electron
core
1 attoszekundum (=1/140 keringési idő a Bohr-modellben)
Térben: d ≈ cτ = 3·1010 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 Wkin
dN dW
Valence
Auger Core 0 W2 W1 X-ray photon
τx ... duration of x-ray pulse τh ... decay time of core hole Wh Wbind
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 intenzív Lézer által keltett attoszekundumos impulzusok keltése • röntgenforrások és nagy ismétlési frekvenciával • részecskeforrások • lézertechnológiai fejlesztések • 10 PW erősítő
osztályú
• szinkronizált fény-, röntgen és részecskeforrások • orvosi, biológiai, kémiai, anyagtudományi alkalmazások
• alkalmazások orvosés anyagtudományban • plazmafizikai kísérletek • „egzotikus”, nagy intenzitású fizika
Fotonukleáris központ Lézer által keltett magfizikai folyamatok vizsgálata
Erősítőlánc és targetterületek 1. Attoszekundumos ág Synchro seed
1.5μ OPA 20mJ, 1kHz
Front end 1kHz 200μJ, Δλ>300nm Contrast: >1011
OPCPA stages 1-4 1kHz, 180 mJ
Front end 1kHz 200μJ, Δλ>300nm Contrast: >1011
OPA stage 5 1kHz, 700 mJ
KrF 248nm 1Hz, 1J, 250fs
OPACPA stages 1-4 100Hz, 180 mJ
Synchro seed
OPA stage 6-8 1kHz, 5J
DPSSL Pump 1kHz
Synchro seed
2. Nagyintenzitású ág
Atto test and user target area
THz TA 20mJ, 1kHz
Small scale TA 400mJ, 100Hz
OPA stage 5-6 100Hz, 1.5 J
DPSSL Pump 100Hz
High intensity beam combination TA Medium intensity TAs 5J, 10Hz
Ti:S stage 1 10Hz, 25J
Nd:YAG 10 Hz
Ti:S stage 2-3
Nd:Glass 0.1 Hz High Intensity PW TA
Leendő helyszín Szeged mellett
08 July 2010
Megvalósítási ütemterv 2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
MoUs MoUs ELI ELI Delivery Delivery Consortium Consortium Project Project Resource Resource Assesment Assesment ERIC ERIC App. App. ERIC ERIC Established Established
HiLASE HiLASE technology technology development development Laser Laser technology technology development development for for the the high-intensity high-intensity pillar pillar (France, Germany, UK, CZ, HU, (France, Germany, UK, CZ, HU, others) others) Site Site preparation preparation
Building Building construction construction
Beamline facility
Installation Installation of of technologies technologies Commissioning Commissioning Site Site preparation preparation
Building Building construction construction
Attosecond facility
Installation Installation of of technologies technologies Commissioning Commissioning
Highintensity facility
Site Site choice choice Implementation Implementation
