UPOL 22/2/12 Projekt:
Výzkum a vývoj femtosekundových laserových systému a pokročilých optických technologií (CZ.1.07/2.3.00/20.0091)
Laserové a optické technologie ELI Beamlines
Daniel Kramer za ELI beamlines team
Projekt ELI
Evropský Projekt ELI Generace as pulzů XUV a rentgen. záření
ELI-ALPS, Hu
ELI-Beamlines, Cz ELI-NP, Ro
Vysoce výkonné lasery s vysokou opakovací frekvencí – generace sekundárních zdrojů světla a nabitých částic Jaderná fyzika s pomocí intenzivních laserů
High-intensity development
Extrémně intenzivní lasery: Exawatt-class (Ještě není vybrána země, kde se bude stavět)
ELI WHITE BOOK 530 stránek – detailní popis cílů projektu, plánovaných technologií a strategií implementace ELI PALS laser v Praze (1000 J/350 ps)
Výkonné laserové systémy ve světě VULCAN Laser (1 PW, 500 fs, 1054 nm ) RAL STFC UK
Osaka PW module (1 PW, 500 fs/500J, 1053 nm ) Osaka Uni, Japonsko
Texas Petawatt (1 PW, 185 J / 130 fs, 1054 nm ) Uni. of Texas, USA
GIST-APRI Petawatt (1 PW, 32 J / 30 fs, 800 nm ) Jižní Korea
Budují se 10 PW systémy: VULCAN Upgrade, APPOLON (Francie)
Obsah • Část 1: Obecný úvod Na jakém principu lasery fungují? Elektromagnetické spektrum, konverze energií fotonů
Generace fs pulzů a jejich zesilování
• Část 2: Hlavní technologie ELI beamlines Schéma laserů v budově ELI Technologie čerpacích laserů
Front end technologie, synchronizace laserů Diagnostika pulzů Kompresory pulzů a transport svazků
• Část 3: Sekundární zdroje záření – experimentální zařízení Urychlování elektronů Urychlování protonů
Generace rentgenového záření
VIDITELNÉ SPEKTRUM
Elektromagnetické spektrum Frekvence
Vlnová délka
Energie v eV
3 EHz
100pm
12.4 keV
300 PHz
1 nm
1.24 keV
1020
TVRDÉ RENTGENOVÉ ZÁŘENÍ
30 PHz
10 nm
124 eV
1018
MĚKKÉ RENTGENOVÉ
3 PHz
100 nm
12.4 eV
1016
UV ZÁŘENÍ
430 THz
700 nm
1.8 eV
1015
VIDITELNÉ SPEKTRUM
300 THz
1 µm
1.24 eV
1012
INFRAČEVENÉ ZÁŘENÍ
3 THz
100 µm
12.4 meV
30 MHz
10 m
124 neV
108
MIKROVLNNÉ ZÁŘENÍ
30 kHZ
10 km
124 peV
104 [Hz]
RADIOVÉ VLNY
Frekvence GAMMA ZÁŘENÍ
ZÁŘENÍ
Částicový charakter EM záření – fotony kvanta světla s charakteristickou energií
Časová měřítka Časové měřítko
Světlo uletí
Sekunda
s
Milisekunda
ms
Mikrosekunda
µs
0.000001 s
300 m
Nanosekunda
ns
0.000000001 s
30 cm
Pikosekunda
ps
0.000000000001 s
0.3 mm
Femtosekunda
fs
0.000000000000001 s
0.3 µm
Chemické reakce
Attosekunda
as
0.000000000000000001 s
3Å
Pohyb elektronů
Měření rychlých procesů
1s
0.001 s
300 000 km
300 km
Rotace molekul
Jak funguje laser? E
E
E
E3
E3
E3
E2
E2
E2
A21/B21~f3 E1
E1 Populace
E1 Populace
Boltzmanovo rozložení
Populace
Inverze populace
2) Čerpání
1) Aktivni prostředí
3) Zpětná vazba (oscilátor)
Další triky jak změnit energii fotonu Při průchodu intenzivního světla nelineárním prostředím (tj. prostředím kde dielektrická polarizace prostředí sleduje nelineárně el. pole světla) mohou být generovány nové frekvence. Podmínkou je pouze zachování energie a momentu hybnosti. SHG
Např. 1030 nm (IR) => 515 nm (zelená)
signal
idler
OPA
pump
SFG
Širokopásmový zesilovač bez ukládání energie
Ultrakrátké pulzy • Generují se laserovými oscilátory, které pracují v režimu synchronizace módů • Kratším pulzům odpovídá nutně větší šířka generovaného spektra, jelikož časový průběh pulzu je svázán se spektrem pulzu Fourierovou transformací • Nejkratší pulzy generované přímo z laseru jsou okolo 5 fs (10-15s) – Ti:safír 800 nm
• Kratších pulzů až řádově attosekund lze dosáhnout pomocí HHG v nelineárním prostředí • Díky krátké době trvání lze dosáhnout po krátkou dobu neuvěřitelně vysokých výkonů i při nízké energii v pulzu: např. 10 mJ / 10 fs = 1TW (odpovídá asi 1000 x větší stůl
) z laseru, který se vejde na
V ELI – Beamlines se počítá s lasery o špičkových výkonech až 10 PW!
Základní technologie – CPA a OPCPA
Blokové schéma laseru Diodově čerpané Thin disk Amp Yb:YAG tenké disky OPCPA Yb:YAG femtosecond
Oscillator Ti:sapphire
Cryogenic
Diodové čerpané multislab Yb:YAG Multideskové Cryogenic Yb:YAG Ti:sapph multislab Yb:YAG
Nd:YAG
Ti:sapph
RT Multislab Diodové čerpané Nd:Glass Ti:sapphire Multideskové Nd:sklo
Výbojkově čerpané kombinované Nd:sklo
Nové technologie – tenké disky Umožňují kHz opakovací frekvence i vysoké energie
L1 čerpací lasery pro systémy L1 potřebvují dosáhnout až 1.5 J/pulse při 1kHz opakovací frekvenci a 2 ps obě trvání pulzu. Parametry disku tlouštka: 100 - 900 µm průměr: 10 - 35 mm
Thomas Metzger, MPQ
Nové technologie – tenké disky Výhody tenkého disku • účinné chlazení (<1 mm tloušťka)
Heatsink (Cu, diamond) + mounting Yb:YAG disc
• téměř nedochází ke vzniku tepelné čočky • je možné použít vysokou intenzitu čerpání (10 kW/cm2) • výkon lze zvyšovat zvětšením velikosti svazku (d2) •Nevýhodou je nízký zisk na 1 průchod
cooling water
HR coating AR coating
Thin disk :Pump laser 1030 nm Regenerativní zesilovač
Víceprůchodový zesilovač (20 průchodů)
(150 průchodů tenkým diskem)
M² < 1.1
Metzger et al. Opt. Lett. 34, 2123 (2009)
@ 25 mJ; 3 kHz
Nové technologie – multideskové kryogenně chlazené zesilovače Parametry zesilovače • 2 zesilovače v každém z nich 8 disků (Yb:YAG) • kryogenické chlazení160 K • Yb:YAG/(glass) čerpaná oblast E1 • Cr:YAG 30 mm absorpční oblast E2 (k potlačení ASE)
Technologie vyvíjená v Anglii RAL/STFC umožnující generaci až 100 J v pulzu při vysoké opakovací frekvenci 10Hz (délka pulzu 2ns)
Courtesy K. Ertel and J. Collier (RAL/STFC)
Nové technologie – multideskové kryogenně chlazené zesilovače L2 & L3: čerpací laser Development of cryogenic Yb:YAG amplifier technology at RAL/STFC essential for ELI-Beamlines Podobná technologie byla demonstrována i v LLNL: 60 J/10 Hz Mercury laser ELI-Beamlines: cooperation on development of Yb:YAG technology Transfer lines Helium cooling circuit Amplifier head
Cryostat
Study of layout of a Yb:YAG 100 J system for ELI-Beamlines and HiLASE According to RAL/STFC (courtesy of K. Ertel and J. Collier)
Model zesílení v prog. MIRO In
Při vhodném časovém průběhu vstupního svazku dosaženo • Top Hat profilu na výstupu a • maximalizace výkonu Difrakční efekty však mohou vyvolat oscilace a prostorová filtrace nemusí stačit. (riziko poškození)
Out
Out
Courtesy of M. Divoký, HiLASE
Nové technologie – kombinace Nd:skel Aktivní medium – kombinace Nd:skel : vysoká energie a šířka pásma odpovídající <130 fs * Texas Petawatt laser: 185 J / 130 fs – scalable -> 1900 J /130 fs
• Ideální délka pulzu a energie na urychlování elektronů • Laser lze později použít jako čerpací pro OPCPA širokopásmového zesilovače * ELI - Extreme Light Infrastructure White Book: Science and Technology with Ultra-Intense Lasers edited by G. Mourou, G. Korn, W. Sandner and J. Collier (2011)
Front end a synchronizace všech laserových systémů (beamlines) Aby jednotlivé fs lasery (beamlines) fungovaly je třeba přesné synchronizace Běžná elektronická signalizace (ns) zdaleka nestačí Limit sofistikované elektronické synchronizace 10 ps (mimochodem také využívající laser) Přesnější synchronizace možná pouze opticky distribucí a zesilováním laserových pulzů (tzv. Seed pulzů)
Front end a synchronizace všech laserových systémů (beamlines)
OMO 240 MHz 100 fs
Stablilized opt. link
RF reference
Stabilized opt. link
Různé technologie - různá aktivní prostředí: Yb:YAG (1030 nm), Nd:glass (1055 nn, 1065 nm), Nd:YAG (1064 nm), Ti:safír (800 nm), pro OPCPA v LBO (900 nm)
L1
Stabilized opt. link
Co je unikátní na projektu ELI Beamlines je, že budeme mít v jedné budově několik výkonných fs laserů s odlišnými parametry. Toho bychom chtěli maximálně využít a dosáhnout i vzájemné časové synchronizace mezi všemi lasery v budově a to na úrovni až desítek fs v experimentálních halách.
Common front end for L1.1,1.2 2.1 (2.2)
L2
Local front end L2.2
L4
Local front end L3.1
L4
Local front end L4.1&L4.2
Vzájemná synchronizace laserových oscilátorů fs synchronizace lze dosáhnout pouze opticky pomocí optických crosskorelátorů
Integrovaná časová odchylka 0.4 fs rms
JUNGWON KIM, JONATHAN A. COX, JIAN CHEN AND FRANZ X. KAERTNER nature photonics | VOL 2 |DECEMBER 2008
Distribuce optických hodin Stabilizované optické vlákno.
Existují i komerční řešení
JUNGWON KIM, JONATHAN A. COX, JIAN CHEN AND FRANZ X. KAERTNER nature photonics | VOL 2 |DECEMBER 2008
Kompresory pulzů • Pulz je roztažen v čase (~ns) • Dlouhá vlnová délka přichází jako první (“červená”) Pro časovou komprimaci pulzu musí “červená” projít delší dráhu než “modrá”
Kompresory pulzů • • • •
Hranolové Vláknové Chirpovaná zrcadla Difrakční mřížky
Pro vysokovýkonné systémy (v reflexním módu)
Kompresory pulzů • Příklad symetrického kompresoru se 4 mřížkami
• „modrá“ má nejkratší dráhu -> „doběhne“ zelenou • „červená“má nejdelší dráhu -> zpomalí se
Kompresory pulzů pro 1-2PW Koncepční návrh kompresorů (zhruba 2ns chirpované pulsy) Kompresory umístěny na konci zesilovacího řetězce Plné zobrazování vlnoplochy: OPCPA -> poslední mřížka-> experimentální haly
Zesilovač OPCPA
Transportní teleskop
Mřížky kompresoru
Systém distribuce svazků
Vlnoplocha
Pole čoček
Senzor vlnoplochy Shack-Hartmann CCD
Rovinná vlnoplocha – ideální případ
Vlnoplocha s aberacemi
Příklad rekonstrukce
Wavefront Function PETZVAL LENS 9.1.2012 0.5876 µm at -4.0000 (deg) Peak to valley = 5.3823 waves, RMS = 1.4686 waves. Surface: Image Exit Pupil Diameter: 3.5358E+001 Millimeters
Petzval.zmx Configuration 1 of
Adaptivní optika • Aberace svazku možno korigovat adaptivní optikou (jako v astronomii)
• Po změření vlnoplochy se aplikuje korekce na deformovatelné zrcadlo
Základní typy aberací
Prostorový filtr •
•
•
Ideální tenká čočka zobrazí rovinnou vlnu do kruhu o průměru (1.27*λ*f)/D (Airy disc) Části vlnoplochy s aberacemi se zobrazí mimo střed – možnost filtrace Filtrací se ztrácí část energie
Většinou se používá 1.5 x spot size pro velikost otvoru
Měření délky pulzu • ns – foto dioda (až do ~20ps)
• ps – Streak kamera
Courtesy of MPQ
• fs – autokorelátor – SPIDER (Spectral Phase Interferometry For Direct Electric-field Reconstruction) – FROG (Frequency-Resolved Optical Gating)
Difrakční efekty • Velká důležitost prostorového tvaru pulzu • Riziko překročení meze poškození optiky • Nečistoty v cestě laseru dalším zdrojem difrakčních jevů
G=20, 20m transport
SuperGaussovský profil
G=50, 100m transport
Práh poškození pro krátké i dlouhé pulsy 𝐸𝑔 𝑆𝑖𝑂2 = 8.3𝑒𝑉
𝐹𝑡ℎ = (−0.16 + 0.074𝐸𝑔 )𝜏𝑝 0.33 ∗ 𝑜𝑣ěř𝑒𝑛𝑜 𝑝𝑟𝑜 25𝑓𝑠. . 1.3𝑝𝑠
•
•
Parametry pro fs LDT nezávisí na vlastnostech materiálu Závisí pouze na Eg (šířka zak. pásu)
power scaling sqrt scaling
100,0
Pro běžné opt. povrchy, exponent = 0.33±0.03 *Physical
20ps .. 50ns
1000,0
Eth [J/cm2]
•
𝐹𝑡ℎ
𝑌 𝑌 = 𝐹𝑡ℎ (𝑋) 𝑋
Review B71(2005)
Eg = 4eV 10,0
1,0
0,1 1,E+0
1,E+1
1,E+2
1,E+3 1,E+4 1,E+5 pulse length [fs]
1,E+6
1,E+7
Stitching between the scalings is arbitrarily put to 2ps
1,E+8
Struktura budovy
Monolitická struktura (laserové a experimentální prostory) – vibrační model Podpůrné technologie (air conditioning, vakuové pumpy, etc.) & vedlejší laboratoře Vibrační analýza brala v úvahu data naměřená v místě stavby
Distribuce laserových svazků • V konečné fázi výstavby je většina svazků dovedena do všech exp. místností • Ultrakrátké pulzy vyžadují vysoké vakuum • V uzlových bodech použita otočná (vícepolohová) zrcadla
Cassegrain systém pro přenos femtosekundových pulzů • Úvodní inženýrský návrh teleskopu
• 2 svazky přenášeny jedním systémem • Optika vibračně oddělena od vakuových komor
Distribuce laserových svazků
Umístění laserů v budově 1.patro 10 PW laser L4 Podpůrné technologie, kryogenika a chlazení
Přízemí Laserové haly(L1 – L4)
Podzemí Kompresorová hala pro 10-PW lasery distribuce svazků ve vakuu
6 specializovaných experimentálních hal
ELI beamlines: výzkumné programy I.
Repetiční laserové systémy s ultrakrátkými pulzy a více-petawattové systémy
Exp. Haly:
II. Ultrakrátké repetiční rentgenové zdroje záření
E1 E2 E5
III. Urychlování částic pomocí laserů
E5 E6
IV. Aplikace v materiálovém, biomedicínském a E1 E2 E5 molekulárním výzkumu V. Laserové plasma a fyzika vysokých hustot energie
E3 t
VI. Fyzika a teorie intenzivních polí
E4
Cílové aplikace •
• • • •
• •
• • •
Unikátní vlastnosti centra relativistické ultrakrátké a synchronizované svazky částic, laserů a rentgenových fotonů o velkých intenzitách Vysoké opakovací frekvence Unikátní rozsah energií Vysoký jas a briliance Výborná stabilita mezi pulzy (diodové čerpání a tenké disky)
Potenciální aplikace, transfer technologií Urychlovače (nové a kompaktní přístupy, e.g. kompaktní FEL) Časově rozlišené pump-probe experimenty (fůzní plazma, warm dense matter, laboratorní astrofyzika, apod.) Medicína (hadronová terapie a tomografie nádorů) Bio-chemie (dynamika rychlých přechodových jevů) Bezpečnost (nedestruktivní inspekce materiálů)
Děkuji za pozornost
