Lézer, a különleges fénysugár Dr. Paripás Béla fizikus, egyetemi tanár
The International Year of Light and Light‐based Technologies
2015
We will only get one chance 2015 – a fény nemzetközi éve
A fény éve egy kicsit azért a lézer éve is
Light
fényerősítés a sugárzás
Amplification by
indukált (stimulált)
Stimulated
emissziója által
Emission of Radiation
Lézerek alapfelépítése Tükör (100% visszaverés)
Részben áteresztő tükör (~99% visszaverés)
Külső gerjesztő (energia-) forrás
Erősítő közeg („Amplification/Lasing medium”) Lézersugár
Tükörrezonátor
Lézerek alapfelépítése Erősítő közeg gáz (pl. Ar, Kr, He/Ne, Cd/He, CO2, N2, I2, RgX, HF, ), fémgőz (pl. Cu, Au, Ba), oldat (pl. fluoreszkáló molekulák metanolban), szennyezett kristály (pl. Nd:YAG, Cr:Alexandrite, Ti:Sapphire, Cr:Sapphire (Rubin)) félvezető (GaAs, ZnSe, ….) elektronok (szabadelektron-lézer)
•
Anyaga:
•
Követelmény: Megfelelő energiájú átmenetek (energiaszintek) Populáció inverziót lehessen létrehozni benne ⇒ általában több energiaszintnek van szerepe (lásd három és négy energiaszintű lézerek)
Lézerek alapfelépítése Külső energiaforrás •
•
•
„Formája”:
villanófény (pl. rubin, Nd:YAG), elektromos kisülés (pl. He-Ne, CO2), kémiai reakció másik lézer (pl. festéklézerek, Nd:YAG), … Követelmény: Optikai forrás esetén a fotonok energiája megfeleljen az erősítő közeg gerjesztési energiájának A fluxus elég nagy legyen a populáció inverzió fenntartásához (lásd folytonos vs. impulzus lézerek) Megszabja a lézer teljesítményét (energiamegmaradás!) energiaveszteség legtöbbször hő formájában jelenik meg (⇒ hűtés)
Lézerek alapfelépítése Rezonátorüreg •
Szerepe: kényszeríttet (stimulált) emisszió erősítése (a spontán emisszióval szemben) (a stimulált emisszió során létrejövő foton koherens a „stimuláló” fotonnal”!) állóhullámok létrehozása
m·λ/2=L L
⇒ koherens, kollimált, monokromatikus (intenzív) sugárzás
Lézerek alapfelépítése Rezonátorüreg • Nehézségek: egyéb rezgési módusok megj.: a) keresztirányú módusok („transverse electromagnetic modes”, TEM)
Megfigyelése:
Lézerek alapfelépítése Rezonátorüreg •
Nehézségek: egyéb rezgési módusok megjelenése a) hosszirányú módusok („longitudinal modes”)
⊗ frekvencia
Rezonátorüreg
= frekvencia
Lézernyaláb
intenzitás
Erősítő közeg
intenzitás
intenzitás
Több rezgési módus következménye:
frekvencia
Kihasználás: ultrarövid impulzusok, frekvencia moduláció
Lézerfolyamatok kinetikája Abszorpció E2
Spontán emisszió E2
Stimulált emisszió E2
E1
E1
E1
dφ / dt = B12 N1 ρν
A21 N 2
B21 N 2 ρν
φ(=N/V): foton-sűrűség A21, B12, B21: Einstein-féle koefficensek N1, N2: az alap és a gerjesztett állapotban levő részecskék száma ρν: a sugárzás energiasűrűsége ν frekvenciánál Összefüggések:
E2-E1=h·f
B12=B21 h: Planck-állandó
A21/B21~f3
Lézerfolyamatok kinetikája Az N1
> N2
az általános eset, ez a normál
populáció
termikus egyensúlyban mindig ez van, ekkor
a sugárzás gyengül (elnyelődik) az anyagban Az N1
< N2 eset csak kivételes körülmények között lehetséges, ez a populációinverzió
termikus egyensúlyban ez nem fordulhat elő,
ekkor tehát a sugárzás erősödik az anyagban A populációinverzió a lézerműködés elengedhetetlen feltétele !!!
Lézerfolyamatok kinetikája Populáció inverzió megvalósítása: Négy energiaszintű lézerek E4 sugárzásmentes átmenet gyors E metastabilis állapot 3
Lézersugárzás
E2 sugárzásmentes átmenet gyors E1 pl.: Nd:YAG lézer
Energia
gerjesztés
Populáció
Érdekességek Világ legkisebb lézere (Sam McCall, AT&T Bell Labs) 2 μm átmérő és 400 atomnyi vastagság λ = 1,3 – 1,5 μm
1991
Indium-gallium-arsenide semiconductor microdisk
Érdekességek
GÁZLÉZEREK Lézeranyag: kis nyomású (néhány mbar) gáz, vagy gázelegy Lézerátmenet: elektronszintek között (UV és látható lézerek) rezgési szintek között (infravörös lézerek) forgási szintek között (távoli infravörös lézerek) Pumpálás: elektromos energiával, gázkisülést létrehozva (optikai pumpálásnak nincs értelme, mert a gázok abszorpciós vonalai keskenyek) Méret: sokkal nagyobbak a szilárdtestlézereknél, mivel kisebb a lézeraktív anyag koncentrációja. Például: He-Ne lézer ~ 1021 molekula/m3 Nd-YAG lézer ~ 1025 - 10 26 Nd-ion/m3
Hélium-neon lézer Lézeranyag: ~10:1 arányú He/Ne elegy, össznyomás ~1-2 mbar A lézerátmenet a Ne atomoktól származik, a He segédanyag
A hélium és a neon energiaszintdiagramja
Argon(ion)lézer A lézersugárzás az Ar+ ionoktól származik! („Argonion”lézer) Lézer közeg: ~0,5 torr nyomású Ar-gáz, kisülési csőbe töltve Kisülésben
- gerjesztett molekulák - alapállapotú ionok - különböző gerj. áll. ionok
}
jönnek létre (plazma)
A kisülési cső működési jellemzői: áramerősség, feszültség, nyomás, hőmérséklet - ezektől függ az Ar+ ionok populációja különböző energiaszinteken. Inverz populáció érhető el az Ar+ ion egyes gerjesztett állapotaiban, náluk kisebb energiájú gerjesztett állapotokhoz képest.
diszperziós elem
- +
katód
500V, 60A
anód
kilépő tükör R=98%, T=2%
végtükör R=100%
Az argonion lézer működése
CO2-lézer Lézer közeg: ~ 1:1 arányú CO2-N2 elegy zárt változat: - ~10 torr nyomású gáz zárt kisülési csőben nyitott változat - ~ atmoszférikus nyomású gáz nyílt kisülési csőben A lézer átmenet a CO2-molekula gerjesztett rezgési állapotai között történik, ezért infravörös fényt ad. A N2 segédanyag.
A CO2-molekula normál rezgései szimmetrikus nyújtás
O
C
O
deformáció
O
C
O
aszimmetrikus nyújtás
O
C
O
v1 v2 v3 A három normálrezgés gerjesztettségét jellemző kvantumszámok.
A CO2 és a N2 rezgési-forgási szintjei
Zöld lézer pointer DPSS: dióda pumpált szilárdtest YVO: ittrium vanádium oxid (a YAG helyett) KTP: kálium titanil foszfát (a KDP helyett)
Miért különleges a lézerfény? • • • •
Nagy teljesítmény Kollimált („párhuzamos” fénynyaláb) Monokromatikus Koherens (elektromágneses sugarak azonos fázisban) • Rövid impulzusok (akár ~10 fs!)
⇒ rengeteg alkalmazási terület
A
kollimáltság teszi lehetővé a kiváló fókuszálhatóságot
Érdekesség:
dmin = 2 ⋅ f ⋅Θ0 =
2 ⋅ M ⋅ f ⋅λ ≈λ π⋅ r0 2
minél szélesebb a lézernyaláb, annál párhuzamosabb, tehát annál kisebb foltra fókuszálható
A monokromatikusság kísérleti ellenőrzése
•
λ ϑ
d λ = sin ϑ d A reflexiós optikai rács periodikus szerkezetén a fényhullám elhajlást szenved. (Azaz azokba az irányokba is ϑ van reflexió, amelyekre a szomszédos hullámok útkülönbsége λ.)
A laboratóriumba az ablakokon át beszóródott napfény spektruma. A spektrum burkolója egy kb. 5800 K-es feketetest sugárzáshoz tartozó görbe. De a burkolót megszaggatják mind az ún. Fraunhofer vonalak (ezek a Nap felszínét elhagyó sugárzásban megjelenő elnyelési vonalak), valamint a Föld atmoszférájában lévő gázok által okozott abszorpciók.
Az átlagember szemének relatív érzékenysége
A LED-ek spektruma folytonos, de sokkal keskenyebb az izzó szilárd testek spektrumánál. A LED-ek összetételének, paramétereinek változtatásával megváltoztathatjuk spektrumukat is.
Igen látványos spektrumot kaphatunk abban az esetben, ha a szórt napfény mellett felkapcsoljuk a terembeli világítást. A kisnyomású Hg-lámpákat gyakran fénycsőnek hívjuk, ezekben a csövekben általában két ultraibolya tartományba eső vonal gerjed a 185 nm-es és 257,3 nm-es. Ezeket UV-be eső sugárzásokat konvertálja a fénycső belső falára felvitt fénypor a látható tartományba.
A lézerek különleges fényforrások, mert a spektrumuk egyetlen, igen szigorúan monokromatikus vonalat tartalmaz. A következő ábrákon a He-Ne gázlézer, illetve a frekvencia kettőzött Nd:YAG lézer spektruma látható.
A lézerek felfedezésének története 1916 Albert Einstein: „kvantum átmenetek” (feketetest sugárzás magyarázata, stimulált emisszió alapelve, Einsten-féle A és B koefficiens) 1928 Rudolph W. Landenburg: Stimulált emisszió („negatív abszorpció”) kísérleti biz. 1940 Valentin A. Fabrikant: Populáció inverzió lehetőségének felvetése 1946 Felix Bloch, W. W. Hansen, Martin Packard (Stanford University): NMR-kísérlet első publikált populáció inverzió! fizikai Nobel-díj: 1952 1947 Gábor Dénes: holográfia alapelve kivitelezés lézerekkel Nobel-díj: 1971
A lézerek felfedezésének története 1951 Charles H Townes (Columbia University): első MASER (Phys. Rev. 95, 282, 1954, Phys. Rev. 99, 126, 1955.)
MASER: Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (szkeptikus kollegái: Means of Acquiring Support for Expensive Research) 1951 Alexander Prokhorov, Nyikolaj Basov (Lebegyev L., Moszkva): MASER függ. f. Nobel-díj (1964): Townes, Basov and Prokhorov
A lézerek felfedezésének története 1957 Gordon Gould (Columbia University): a lézerek működési elve („30 éves szabadalmi haború”) LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 1958 Arthur L Schawlow and Charles H Townes (Columbia University): első cikk „optikai” MASER működési elvéről (Phys. Rev. 112, 1940, 1958) 1960 szabadalom 1960 Theodore Maiman (Hughes Research Laboratories): első működő rubin lézer (Nature, 187, 493, 1960)
A lézerek felfedezésének története 1961 A. G. Fox és T. Li (Bell Labs.): elméleti cikk az optikai rezonátorokról (Bell Syst. Tech. J. 40, 453, 1961) 1961 Ali Javan, William Bennet Jr., Donald Herriot (Bell Labs.): első He-Ne lézer (Phys. Rev. Lett. 6, 106, 1961) 1961 Columbia-Presbyterian Hospital: első orvosi alkalmazás 1962 Robert Hall (General Electrics): első félvezetőlézer (R. N. Hall, G. E. Fenner, J. D. Kingsley, T. J. Soltys, and R. O. Carlson, Phys. Rev. Lett. 9, 366, 1962) 1964 J. E. Geusic, H. M. Markos, L. G. van Uiteit (Bell Labs.): első Nd:YAG lézer 1964 Kumar N Patel (Bell Labs.): első CO2 lézer 1964 W. Bridges (Hughes Labs.): első argonion lézer 1965 G. Pimentel J. V. Kasper (University of California, Berkley): első kémiai lézer 1966 W. Silfvast, G. Fowles and Hopkins (University of Utah): első fémgőzlézer 1966 P. Sorokin, J. Lankard (IBM Labs.): első festéklézer
A lézerek felfedezésének története 1970 Nyikolaj Basov (Lebegyev Lab., Moszkva): első excimer (Xe2) lézer 1977 J. M. Madey (Stanford University): első szabadelektron lézer 1980 Geoffrey Pert (Hull University, UK): röntgen lézerfény generálása 1980 S. Chu, C. Cohen-Tannoudji, W. D. Phillips: atomok lézeres hűtése, fizikai Nobel-díj: 1997 1981 A. Schawlow és N. Bloembergen: fizikai Nobel-díj nemlineáris optikáért és lézer-spektroszkópiáért 1999 A. Zewail (California Institute of Technology) kémiai Nobel-díj kémiai reakciók fs-os lézeres követéséért 2000 Z. Alferov: fizikai Nobel-díj (megosztva) miniatűr félvezetőlézerekért (1963) 2002 K. Tanaka: kémiai Nobel-díj MALDI (Matrix-Assited Laser Desorption/Ionisation)
A „laser” szó előfordulása az American Chemical Society folyóirataiban 40 Összes J. Phys. Chem. Anal. Chem. Env. Sci. Techn. Inorg. Chem. + Organometallics Biochemistry J. Org. Chem. + Org. Lett.
%-os elõfordulás
30
20
10
0
1965
1970
1975
1980
1985
Év
1990
1995
2000
Hétköznapi lézerek A CD lemez
Optikai jelátvitel
Lézeres sebességmérés (autóké, lézerimpulzus sorozatokkal)
Holográfia 1947 Gábor Dénes: holográfia alapelve kivitelezés lézerekkel Nobel-díj: 1971
• Nem ez a holográfia!
Hologram készítése: a kettéosztott lézersugár egyik fele a tárgyon szóródik, a szóródott lézerfény a fotolemezen találkozik és interferál a másik féllel, a referencia sugárral.
Síkhologram rekonstrukciója: az előhívott fotolemezt az eredeti lézernyalábbal megvilágítva azon a tárgy térbeli képe megjelenik
Lézeres vágás és hegesztés Nd:YAG
CO2
Rövid fényimpulzusokkal nagyon határozott, jól definiált alakzatokat lehet kialakítani
Lézeres áramlásmérés LDA: Laser Doppler Anemometry
A névadó: Christian Doppler (Salzburg, 1803. november 29. – Velence, 1854. március 17.) műegyetemi tanár 1837-től a prágai műegyetemen tanított; 1847. október 23-tól a selmeci magyar királyi bányász-akadémián a mennyiségtant, természettant és erőműtant adta elő 1849-ig. Ezután a bécsi császári és királyi műegyetem tanára volt.
Lézeres áramlásmérés LDV: Laser Doppler Velocimetry PDV: Planar Doppler Velocimetry különböző megoldásokban
LIDAR (Light Detection And Ranging)
A WTC „ground zero” LIDAR 3D képe (2001.09.27.)
Vízmélységek mérése LIDAR-ral
Használhatják továbbá pl. - elektromérnökök (távvezetékek belógásának távmérése) - környezetmérnökök (szennyeződések terjedésének távmérése vízben) - agrármérnökök (a vegetáció fejlődésének távmérése)
Magfúzió Könnyű atommagok egyesülnek egy nehezebb atommaggá Hatalmas energia szabadul fel Atommagok taszítása Ennek legyőzéséhez magas hőmérséklet (~100000000 °C) szükséges. Ezt semmiféle anyag nem bírja ki
Fúziós kutatás Inerciós fúzió (ICF)
Mágneses fúzió (MCF)
ICF = Inertial Confinement Fusion MCF = Magnetic Confinement Fusion Lawson kritérium
n·τ ≥1020 sm−3
Mágneses fúzió A plazmát mágneses tér tartja össze
ITER tokamak (toroidal chamber in magnetic coils)
Inerciós fúzió A hajtóanyag deutérium és trítium Lézerek állítják elő a hatalmas nyomást és hőmérsékletet 10 mg hajtóanyag = egy hordó olaj
ICF hajtóanyag kapszula
ICF mechanizmusa
Lézerek az ICF-ben Egy lézert használnak, melynek sugarát több sugárra bontják Ezeket egyenként billiószorosukra erősítik Majd tükrökkel a reakciókamrába vezetik őket úgy, hogy a céltárgy felületét egyenletesen világítsák meg
Lézerek az ICF-ben 60-as évek – rubin lézerek Nagy intenzitású fény vizsgálata, elméletének kidolgozása 70-es évek – Naval Research Laboratory (NRL) – excimer lézerek (kriptonfluorid) Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) – szilárd test lézerek (Nd üveg) Első ICF-re alkalmas lézerek ( > néhány száz Joule)
Lézerek az ICF-ben Janus lézer – 1974 – Nd szilárdtest lézer Cyclops lézer – 1975 – Nd lézer Új erősítési és szűrési technikák kidolgozása Cyclops lézer
A nagy intenzitású fény megváltoztatja a közeg törésmutatóját Æ fókuszálási problémák
Shiva lézer 1977 húszsugaras Nd lézerrendszer az LLNL-nél Nd üveg erősítők Brewster szögben 30 m sugárhossz A lézer indítása Xenon villanó lámpákkal gerjesztik a Nd üveget Æpopuláció inverzió (1%-os hatásfok) Vákuumban elhelyezett térszűrők Æ a sugarak „simítására” 1 ns pulzus, 10.2 kJ 1062 nm hullámhosszú infravörös Túl költséges rendszer volt , mai értéken 81 millió dollár
Shiva lézer
NOVA lézer 1984 - 1999 , LLNL Tízszer erősebb a SHIVA-nál 100 kJ 1054 nm 40-45 kJ 351 nm ultraibolya sugár 2-4 ns impulzusok ~10 TW a céltárgyon 1013 neutron lövésenként
NOVA lézer
NOVA lézer
NOVA lézer
Lézerek az ICF-ben National Ignition Facility, LLNL 192 sugaras rendszer, 2MJ UV sugár 2010 a kísérletek kezdete
Gyors gyújtásos rendszerek (rövid PW): OMEGA - University of Rochester GEKKO XII – Japan HiPER - EU
Lézerek az ICF-ben HALNA (High Average-power Laser for Nuclear Fusion Application) at ILE, Osaka University
National Ignition Facility (NIF), Lawrence Livermore National Laboratory LLNL
7500 darab 2 méteres villanólámpával (amelyeket hatalmas kondenzátorokkal táplálnak ) gerjesztett üvegbe ágyazott Nd atomok koherens sugárzása erősíti az eredeti gyenge, 192 részre osztott lézerimpulzust. Végül a 192 nyaláb mindegyike 20000 J impulzusenergiájú lesz. A lézerimpulzusok hossza 1 ns, amelyek 20 ps-on belül, 50 μm pontossággal érkeznek a céltárgyra.
Lézerek a jobb oldalon (2×12×4 = 96 db)
KDP (kálium dihidrogén foszfát) kristályokkal teszik át a lézerfényt az infravörösből az ultraibolyába
Számítógéppel vezérelt deformálható tükrökkel fókuszálják a lézernyalábokat
A 192 lézernyalábot a targetkamrában lévő céltárgyra vezetik
A hidrogén target a fúzió megindulásakor 100 millió fokos, a nyomása egymilliárd atmoszféra. Ekkor a hidrogén százszor sűrűbb az ólomnál.
Ezt csak úgy érhetjük el, ha kezdetben a hidrogén folyékony, azaz a hőmérséklete kb. -250 °C-os
A NIF lézernyalábjai elérik a deutérium-trícium céltárgyat
A NIF energiamérlege
• Legalább 25-30-szor több fúziós energiát kellene kinyerni (1 GJ/imp), hogy energiatermelésről beszéljünk • 10 imp/sec a kívánatos tempó •
Az árról egyelőre ne essen szó!
Az ICF-es fúziós erőmű még nincs belátható közelségben
A fúziós energiatermelő reaktor előnyei …ha egyszer beindul… •Kevés bemenő üzemanyag szükséges! Napi anyagszükséglet 1 GW-os erőműre: (1GW×1 nap/17 MeV)×8 mp = 109×3600×24/(1,7·107×1.6 10-19)×8×1.6 ·10-27= 0.4 kg
•A bemenő üzemanyag (D, Li) és a végtermék (He) nem radioaktív! A közbülső trícium viszont radioaktív és igen illékony! A keletkezett neutronok felaktiválják a szerkezeti elemeket! → A fúziós energia melléktermékeként keletkezik radioaktivitás! Igaz viszonylag rövid felezési idejű izotópok formájában!
•A bemenő üzemanyag „mindenütt” megtalálható szinte „korlátlan” mennyiségben! •Nem termel üvegházhatású gázokat! •A fúziós reaktor azonnal leáll a legkisebb, üzemi állapottól való eltéréskor!
Mikor lesz fúziós energiatermelő reaktor? Már vagy 40 éve ugyanaz a válasz: ….úgy 25 év múlva A fejlődés nem lassúbb, mint a számítástechnikában ….de lassulni látszik (itt is)
A DEMO indulása 25 év múlva tényleg reálisnak tűnik… Feltéve, hogy meglesz a politikai akarat, a pénz és a szükség…
A (szegedi) szuperlézer •
Az Extreme Light Infrastructure (ELI) egy tervezett európai uniós „kutatási nagyberendezés”, ami nagy energiájú lézerekkel foglalkozna. A létesítmény exawatt-osztályú (1018 wattos) lézerével a relativisztikus hatások figyelembe vételével 1023 W/cm2 intenzitás is elérhető majd, ami a 2010ben létező legnagyobb lézernél három nagyságrenddel nagyobb teljesítménysűrűséget jelent.
•
Az Irányító Testület 2009. október 1-jén, Prágában úgy döntött, hogy Csehország, Magyarország és Románia közösen valósíthatja meg az ELI elosztott infrastruktúráját. Ez az első alkalom, hogy egy nagy, közös kutatóintézet új EU-tagországokban épülhet meg.
•
A három tagországnak 2015 végére kell létrehozni a tudományos projekt három pillérét: az attoszekundumos impulzusokkal Magyarországon (Szegeden) foglalkoznak, a nagy teljesítményű másodlagos forrásból történő, másodpercenként akár tízszer „tüzelő” beamline Csehországban, Prágában épül majd, Romániában, Bukarestben pedig fotonukleáris kutatóközpont épülne, a nagy teljesítményű lézerek magfizikai alkalmazásainak vizsgálatára.
A szegedi szuperlézer ELI ALPS Attoseconds Light Pulse Source
A szegedi szuperlézer Mindhárom fő lézerforrás egyedülálló paraméterekkel – extrém sávszélességgel, az előállított tér ciklus alatti fáziskontrolljával, nagy ismétlési frekvenciával – rendelkezik. Ehhez járul még a csúcstechnológiát képviselő, dióda-alapú szilárdtest lézerrel pumpált, optikai parametrikus csörpölt impulzuserősítés (OPCPA) nagymértékű használata. A SYLOS és a HR lézerek keresztpolarizált hullámmal való nemlineáris szűrést és az üreges optikai szálban történő impulzuskompressziót alkalmazó két erősítő-fokozatot tartalmaznak.
Az ELI-ALPS főbb kutatási és alkalmazási területei Vegyérték-elektron vizsgálatok Az ELI-ALPS által biztosított extrém-ultraibolya és röntgen források segítségével a kémiai reakciók végbemeneteléért felelős vegyértékelektronok tanulmányozása révén új kutatási lehetőségek nyílnak majd meg az atomokon és molekulákon belüli folyamatok nagy időfelbontású vizsgálata területén. A fényforrások egyedülálló jellemzői közül számos kihasználható ezekben az új vizsgálatokban, mint például a fényimpulzusok elektromos terének attoszekundumos időskálán való szabályozhatósága, az infravöröstől a röntgensugárzásig terjedő széles spektrális tartományban való elérhetősége, valamint az adott impulzusidők melletti lehető legnagyobb ismétlési frekvencia. Atomtörzsi-elektron vizsgálatok A nagy fotonenergiájú, nagy fényerejű extrém-ultraibolya és röntgen források alkalmazásával az atomtörzs elektronjainak nagy időfelbontású vizsgálata is megvalósíthatóvá válik. Jelenleg a belső elektronhéjak részletesebb vizsgálata csak nagy fotonenergiájú sugárzást kibocsátó szinkrotron forrásoknál kivitelezhető, de itt is csak limitált időbeli feloldással és koherens jelleg nélkül. Az ELI-ALPS fényforrásainak egyedülálló kombinációjával lehetőség nyílik majd a törzselektronok dinamikájának attoszekundumos léptékű követésére.
4D képalkotás Az atomok, molekulák, kristályok és nanostruktúrák egyaránt atommagokból és elektronokból épülnek fel. Ezen részecskék térbeli (3D) elrendeződése határozza meg az anyag szerkezetét és alapvető tulajdonságait. Ha a rendszert gerjesztik, akkor a válaszreakció jellege és lefolyása időben (1D) és térben (3D) leképezhető lesz. Az ELI-ALPS által biztosított másodlagos fényforrások a 4D leképezés fejlesztését szolgálják majd és lehetővé teszik az elektronok mozgásának attoszekundumos időbeli és atomi léptékű térbeli megjelenítését. Relativisztikus kölcsönhatások A nagyintenzitású lézerimpulzusok (TW, PW) anyaggal való kölcsönhatása jellemzően atomi léptékű (femtoszekundumos, attoszekundumos) időskálán megy végbe. Ezen folyamatok vizsgálatához nagyintenzitású lézerimpulzusokra és ezekhez szinkronizált attoszekundumos próbaimpulzusokra van szükség. Pontosan ezt a kombinációt valósítja majd meg a szegedi ELI-ALPS létesítmény, amely lehetővé teszi például a lézeres részecskegyorsítás vagy a nemlineáris kvantumelektrodinamika tanulmányozását is.
Biológiai, orvosi és ipari alkalmazások Az ELI-ALPS nagy fényességű, nagy ismétlési frekvenciájú, extrém rövid lézeralapú röntgen impulzusok létrehozására lesz képes. A létesítmény jellegéből adódóan új kutatási területek nyílnak majd meg, és új megközelítési formák válnak majd megvalósíthatóvá. A lehetséges alkalmazási területek között szerepel többek között az orvosbiológia, a kémia, az éghajlattan, az energetika, anyagtudományi fejlesztések, a félvezetők, az optoelektronika és még számos terület.
