Lézerek és alkalmazásai, lézerfizikai kutatások Szegeden Dr. Hopp Béla Szegedi Tudományegyetem, Optikai és Kvantumelektronikai Tanszék & Fizikus Tanszékcsoport
Magyar Fizikus Vándorgyűlés Debrecen, 2013. augusztus 21-24.
MOTIVÁCIÓ
Nyertes OTKA Fizika-K pályázatok száma
OTKA 35
2010-2013 Az OTKA Fizika-K nyertes pályázatok megoszlása 2010-2013
30 25
22,42%
20
Debrecen
15
75,58% Budapest
10 5 0
Budapest Debrecen
Pécs
Szeged
2% 0%
Pécs
TEWATI Lézerfejlesztések 2 TW 10 Hz lézerrendszer Hibrid: OPCPA + Ti:S Hazai tervezés és megvalósítás
Paraméterek (2000-2011) 800 nm:
6 nJ, 12 fs, 70 MHz 35 mJ, 20 fs, 10 Hz 530 nm: 0.2 mJ, 25 fs, 10 Hz 532 nm: 360 mJ, 3 ns, 10 Hz 400 nm: 2 mJ, 25 fs, 10 Hz 266 nm: 140 mJ, 3 ns, 10 Hz
New
Fejlesztés 2012-14: 800 nm: 2 mJ, <20 fs, 1kHz 800 nm: 100mJ, <20fs, 10Hz (5TW) 400 nm: 0.5 mJ, 30 fs, 1kHz 266 nm: 50 J, 25 fs, 1kHz
Diszperzió mérések Semleges gázok lineáris és nemlineáris diszperziója 25 GW/cm2 Ti:S oscillator
250 GW/cm2
Osvay et al., APB 87, 457 (2007) Börzsönyi et al., AO 47, 4856 (2008) Börzsönyi et al., OE 18, 25847 (2010)
2500 GW/cm2
pump
fs pulses @ 767 nm Bandwidth: 55 nm BS1
y
4.5 m long vacuum tube
2500
1000
Wavelength Phase surface mapping
y
Evaluation process
y
ω
Neon Helium Air
800
Specific GD [fs/m]
2D imaging spectrograph
Specific GD [fs/m]
High precision translator
gas
BS2
600 400 200
1500 1000 500 0
0
ω
0.01
0.1
1
10
100
Pressure [mbar]
a)
1.355
Measured Fitted
-0.0005
1.345 1.340 540 560 580 600 620
1.345 1.340
From linear approx. Fitted Sellmeier eq. (A0 & k=2)
1.335 1.330
Dispersion [1/nm]
Refractive index
0.0000
1.350
1.350
-0.0010 -0.0015 -0.0020 -0.0025 -0.0030 -0.0035 -0.0040
400
500
600
700
Wavelength [nm]
1
10
100
1000
Heiner, Osvay, AO 48, 4610 (2009) Fabian et al., OE 19, 18861 (2011)
1.360
1.355
0.1
Pressure [mbar]
b)
Szögdiszperzió mérése
Bakteriorodopszin diszperziója és törésmutatója 1.360
0.01
1000
Osvay et al., APB 107, 105 (2012) Börzsönyi et al., OL 39, 410 (2013) Börzsönyi et al., Appl.Sci. 3, 515 (2013)
Spektrálisan bontott interferometria és alkalmazásai Impulzuskompresszorok és optikai szálak mérése
Xenon Krypton Air Nitrogen Argon
2000
800
900
0
5
10 15 20 Concentration [mol/l]
25
30
Femtoszekundumos optika CEP megmaradás nemlineáris folyamatban (XPW) 747 nm
Ti:S Ti:S PALaser Laser
f = 1000 mm achromats
BaF2
800 nm
200 y (μm)
829 nm
y
Total phase shift incl. CEP
y
Polarization splitter Polarity rotator
Phase shift at 800 nm(rad)
Periscope
0
PR mirror
Imaging spectrograph
1 10 102 103
1 10 102 103
1 10 102 103
Exposure time (ms)
Translation stage
WW 1 1
BSBS 2 2
OC OC
W0 W0
W0 W0
The CEP shift of the pulse train in the oscillator: 0CE
CEO phase measured by transmission ring [rad]
CM CM
40
Imaging Imaging spectrograph spectrograph
2
160
200
1 0 -1 -2
CEP measured by
-1 0 1 CEO phase measured by f-to-2f method [rad]
Aimed characteristics Experimental results Model results for the actual wedges
2
0
-2 -100
-50
0
50
100
PZT position difference (µm)
dGDD/dTOD (fs2/fs3)
W
Repetition rate difference (Hz)
1
120
2
CEP izokronikus és izo-diszperzív hangolása W
80
Osvay et al., OL 32, 3095 (2007) Jójárt et al., OL 37, 836 (2012) Jójárt et al., OL (2013) under submission
Spectrograph
BS11 BS
WW 2 2
CMCM
40
Wedge position (m)
F-to-2F F-to-2F interferometer interferometer
AOM AOM
80
0
MultipleBeam BeamInterferometer Interferometer Multiple Pump Pump
120
0
CEP mérése lineáris optikai módszerekkel Ti:S Ti:S
Measured: 644.6 rad/mm rad/mm Calculated: 647 647.0 rad/mm rad/mm
160
Fundamental beam
XPW beam
Osvay et al., Opt.Exp. 17, 22318 (2009)
0.05 0.045 0.04 0.035 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0
Görbe et al., OL 33, 2704 (2008) Kovács M et al., (2013) under submission 0.005 0.0045 0.004 0.0035 0.003 0.0025 0.002 0.0015 0.001 0.0005 0
0
0.001
N-LAK7+N-LASF46A+N-SF57
N-BAF4+N-LASF41+N-LASF44
N-LASF31A+N-LASF46A+N-SF57 N-BASF2+N-LASF46A+N-SF57
0
0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005
0.002
0.003
0.004
dGD/dTOD (fs/fs3)
0.005
Femtoszekundumos impulzusok aberrációi Simulation Simulation
z =-1.8 -1.8 mm mm
Z. Horvath et al., JOSA B 23, 30 (2013)
Coma
z-1=mm -1 mm
z- 0.4 = -0.4 =mm 0 mm mm mm z 0
z= 0.40.4 mmmm
z =1 1 mm mm
z =1.8 1.8 mmmm
Beam expander lens 0.2
y (mm)
0.1
15 fs@800 nm
0
Optical filter
Ti:Sapphire
-0.1
Lens to be studied
-0.2 -6100 0 -6000 -5900 -t (fs) -t
(fs)
200 Spectrograph z = 4 mm
Experiment Experiment
z = 2 mm
Compensator plate τ delay
y
z
z = -4 mm 700
z = 1 mm z = -2 mm
600
z = 0 mm
y (um)
500 400 300 200 100 0 100 200 300 400 -t (fs)
Attoszekundumos optika Attoszekundumos impulzusok keltése és összenyomása atto-chirp
harmonic chirp
Varjú et al., PRL 95, 243901 (2005) Mero et al., OE 19, 23420 (2011) Kovacs K et al., PRL 108, 193903 (2012) Balogh et al., JPhysB 45, 074022 (2012)
Nem reflektáló nanostruktúrák előállítása fém felületeken lézeres besugárzással 1.0
~190 mJ/cm 2 energiasűrűség, 550 nm
100 impulzus, 550 nm 0.8
0.8
Ag Au Cu
0.6
Normált reflexió
Normált reflexióképesség
1.0
0.4
0.2
0.0
Ag Au Cu
0.6
0.4
0.2
0.0
0
500
1000
1500
2000
0
200
400
2
Energiasűrűség (mJ/cm ) F= 16 mJ/cm2 Cu
190 mJ/cm2
383 mJ/cm2
1996 mJ/cm2
600
800
1000
Impulzusszám
N= 0 Cu
Au
Au
Ag
Ag
10
50
100
1000
Lokalizációs mikroszkópia (PALM, STORM) Diffraction limited image
Super-resolved image
Resolution >200nm
Resolution <20nm
… 2000 simulated frames
d3
STORM-rendszer és néhány példa
O F1
M2
SC: 450-670
D F2 L4
d1 L3
100 mW @405 nm 100mW@488nm 100mW@561nm
L1
L2 d2
M1
Normal image
CCD
STORM image
Aβ1-42 fibril (in vitro)
150mW @642 nm 500 nm
EGF receptors forming pits and vesicles in the cell membrane
Endogeneous Tau protein forming clusters inside the cell
Fotoakusztikus spektroszkópiai elven működő gázdetektorok fejlesztése orvosi kutatásokhoz (SZTE-ÁOK Sebészeti és Műtéttani Intézet) • Humán szervezetben kimutatni az oxido-reduktív stressz által indukált (baktériumoktól független) endogén metántermelődést
Metánkoncentráció (ppm)
• Nyitott szívműtét közben kilélegzett levegő mérése – jól definiált stresszállapotok
20 18
• Az egyes műtétek során jól reprodukálható metánfelszabadulás bizonyos beavatkozások hatására
16 14
saját vér transzfúziók
12 10:30
10:35
10:40
10:45
10:50
• A felszabaduló metángáz egy protektív folyamat indikátora lehet – új diagnosztikai lehetőség
10:55
Idő (óra:perc)
Tuboly E, Szabó A, Garab D, Bartha G, Janovszky A, Eros G, Szabó A, Mohácsi A, Szabó G, Kaszaki J, Ghyczy M, Boros M: Methane biogenesis during sodium azide-induced chemical hypoxia in rats (2013) Americal Journal of Physiology 304 (2)
Glikolregenerálók benzol és toluol emissziójának mérése fotoakusztikus detektorral ellátott gázkromatográffal
glikolregeneráló
(a kutatás egy MOL K+F projekt keretében valósul meg) A földgázszárítás egyik legelterjedtebb módja a glikolos érintkeztetés. A glikolban azonban a földgázban jelen lévő benzol és toluol is feldúsul. A regenerálás (forralás) során a vízgőzzel együtt ezek az anyagok is a légkörbe távoznak (emisszió).
műszer
Az emisszió kiszámolható a regeneráló tömegmérlegéből, vagyis ha ismerjük a benzol/toluol koncentrációt a glikolban, valamint a glikolok mennyiségét.
Hanyecz V, Mohácsi Á, Puskás S, Vágó Á, Szabó G: Photoacoustic spectroscopybased detector for measuring benzene and toluene concentration in gas and liquid samples, Measurement Science and Technology 22 (2011) 125602 (7pp)
Készülőben a robbanásbiztos változatról szóló publikáció.
Félvezető felületek lézeres kezelése Szilícium felület lézeres mintázása:
Nd:YAG lézer 10 ns 1000 impulzus
KrF lézer 30 ns 500 impulzus
KrF lézer 0,5 ps Titán-zafír lézer 100 fs 5 impulzus 160 impulzus
Spektroszkópiai ellipszometriai és Raman spektroszkópiai mérések
Szilícium lézeres inkubáció olvadás:
Félvezető vékonyrétegek előállítása PLD-vel Különböző mikroszerkezetű ZnO rétegek előállítása:
Felületek szórásának vizsgálata ellipszométerrel
ZnO rétegek depolarizáló hatása:
Napelem modulok megmintázása 400nm ZnO:Al 50nm CdS
65μm
3.15μm 2μm CuInGaSe2 700nm Mo
A rétegek szelektív, maradványmentes eltávolítása lehetséges nanoszekundum impulzus-hosszú Nd:YAG lézerrel.
CuInGaSe2 Mo
ZnO:Al CuInGaSe2 Mo
NKFP 2/025/2001 Napelemtechnológiai innovációs centrum A. Búzás and Zs. Geretovszky, Physical Review B 85, 245304 (2012)
Nanostruktúrált ezüst réteg lézeres kialakítása
Szelektív, nanostruktúrált ezüst lerakódás Rodamin 6G oldat Raman spektrumai
ömlesztett kvarc hordozón
Eureka Siv_HU09 OMFB-0163/2009
optikai szál végén
Erős SERS aktivitás, akár optikai szál végén (a szálanyag hátterének ellenére) is!
Rövidimpulzusú, KrF lézerekre alapuló, nagyintenzitású lézer-anyag kölcsönhatások vizsgálata (Nagyintenzitású Lézer Laboratórium - High Intensity Laser Laboratory (HILL))
250
KrF excimer = 248 nm
Impulzus paraméterek: @248 nm 80 mJ 50 mJ 2 mJ
600 fs 100 fs <20 fs
(LLG)
A fejlesztett lézerrendszer
Fókuszált intenzitás: < 1019 W/cm2 Intenzitás kontraszt > 109
Kutatási területek Lézer kutatások • A nyaláb idő- és térbeli minőségének javítása. Nemlineáris aktív térszűrés. •
A kimenő energia növelése. KrF erősítő kutatás-fejlesztés.
Lézerfény-anyag kölcsönhatás tanulmányozása • anyagmegmunkálás • nagy intenzitású kölcsönhatások - harmonikus keltés szilárdtest felületén - harmonikus keltés gázokban (150 J, <500 fs, 83 nm) ( 15 J, <500 fs, 49.7 nm) - plazmatükör tanulmányozása
Fázis-moduláció létrehozása a Fourier síkban Nemlineáris plazmaszűrő kísérleti megvalósítása
A nemlineáris plazmaszűrő főbb jellemzői:
Az időbeli kontraszt nagyfokú javulása (>103), nyaláb kisimítás (térszűrés), „ön-beállító ” (nincs szükség precíz beállításra), széles hullámhossz tartományon alkalmazható, magas transzmisszió (>40% kísérletileg kapott).
Erősítő fejlesztés • Két lépcsős UV előionizáció kísérleti megvalósítása perforált elektródán keresztül. Hatékonyabb preionizáció. Gyors felfutású gerjesztő impulzus.
•
Sagnac interferométeren alapuló interferometrikus multiplexelés vizsgálata. Elérhető energia: 240 mJ
•
Back-to-back lézer. Elérhető energia: 480 mJ
Elérhető energia: 150 mJ
Targeted energy:
240mJ
Nagy tiltott sávú dielektrikumban ultrarövid, intenzív lézerimpulzusokkal keltett töltéshordozók dinamikájának vizsgálata
P. Földi, M.G. Benedict, and V. Yakovlev, The effect of dynamical Bloch oscillations on optical-fieldinduced current in a wide-gap dielectric, New Journal of Physics 15 (2013) 063019, doi:10.1088/13672630/15/6/063019
Atomi elektron erős lézertérben: kvantumos összefonódottság az elektron és az ion mozgása között • Klasszikus modell
P. Corkum, F. Krausz, Nat. Phys. 3, 381 (2007) M. Lewenstein et al., Phys. Rev. A 49 2117(1994) P. B. Corkum, Phys. Rev. Lett. 71, 1994 (1993)
Rescattering, backscattering, HHG
A kvantumos összefonódottság egyik gyakran használt mértéke a Neumann entrópia:
A Neumann-entrópiának lokális maximumai vannak a (néhány ciklusú) lézerimpulzus zéróhelyeinél
E = 0.1 a.u. 0.15 a.u. 0.2 a.u. 0.25 a.u.
• Ez a tulajdonság a lézerimpulzus vivő-burkoló fázisának (CEP) változtatása esetén is igaz marad
A. Czirjak et.al. Phys.Scr. T153 (2013) 014013
A lézeres szórási interferencia jelenségének felhasználása szöveti vérellátás nagy pontosságú, költséghatékony mérésére
A mérések során alkalmazott Malac agyfelszínéről készített szórási interferenciakép és az alapján számított kontraszttérkép. elrendezés vázlata. Az ujj vérellátásának változása a vérnyomásmérő mandzsettájának felfújása és leengedése hatására. Az ábra felső részén sebességtérképek láthatóak, míg alsó részén sebességgrafikon mutatja a stimulált szövetben lévő perfúzió intenzitását.
Ezúton szeretnénk köszönetet mondani: „Az SZTE Kutatóegyetemi Kiválósági Központ tudásbázisának kiszélesítése és hosszú távú szakmai fenntarthatóságának megalapozása a kiváló tudományos utánpótlás biztosításával” (TÁMOP-4.2.2/B-10/12010-0012), az „Impulzuslézerek alkalmazása az anyagtudományban biofotonikában” (TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0060),
és
a
az „Új, funkcionális anyagok által kiváltott biológiai és környezeti válaszok” (TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0047), valamint a „Környezeti tényezők és genetikai faktorok interakciójának vizsgálata immunmediált és daganatos betegségek kialakulásában” (TÁMOP4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0035) projekteknek.
KÖSZÖNÖM SZÉPEN A FIGYELMET!
