Lézertechnológusok képzése a szegedi szuperlézer (ELI-ALPS) fényében

ELI-ALPS Szegeden Fizikai háttér Lézertechnológusok képzése

Lézertechnológusok képzése a szegedi szuperlézer (ELI-ALPS) fényében Dr. K®házi-Kis Ambrus

Kecskeméti F®iskola GAMF Kar MINMAFI 2014 Modern módszerek az informatika, matematika és zika oktatásában

Dr. K®házi-Kis Ambrus

Lézertechnológus képzés


TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt Jelen kutatási eredmények megjelenését az 'Ágazati felkészítés a hazai ELI projekttel összefügg® képzési és K+F feladatokra' cím¶, TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 azonosítószámú projekt támogatja. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társnanszírozásával valósul meg. az országban a lézerekkel kapcsolatos oktatás rendszerének fejlesztése, hogy ezzel a szegedi szuperlézer és a gazdaság más szerepl®i fejl®dését is el®segítsük ezen a rohamosan fejl®d® szakterületen. Cél:

A pályázat célkit¶zéseit az Szegedi Tudományegyetem által vezetett konzorcium keretében valósítjuk meg. A konzorcium további tagjai a Pécsi Tudományegyetem, a debreceni székhely¶ ATOMKI és a Kecskeméti F®iskola. Együttm¶köd® szervezet a Budapesti M¶szaki és Gazdaságtudományi Egyetem, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont és a Szegedi Biológiai Kutatóközpont.




El®adásvázlat 1

ELI-ALPS Szegeden Elvi megközelítés Szolgáltatások Infrastruktúra

2

Fizikai háttér Impulzusüzem¶ lézerek Sokfotonos folyamatok Lézeres anyagmegmunkálás

3

Lézertechnológusok képzése A TÁMOP pályázatunk témája A képzés háttere f®iskolánkon A képzés paraméterei




Elvi megközelítés Szolgáltatások Infrastruktúra

ELI-ALPS

ELI = Extreme Light Infrastructure Extrém a fényforrás, mert nagyon rövid fényimpulzusokat és nagyon nagy pillanatnyi fényintenzitásokat állít el®.

ALPS = Attosecond Light Pulse Source Attoszekundumos (10

−18 s) fényimpulzusokat szolgáltat.





ELI-projekt három f® pillére ELI-Beamlines Facility (Prága, Csehország)

F®ként rövid impulzusú másodlagos sugár- és részecskeforrások kifejlesztésére, és ezek multidiszciplináris alkalmazásaira összpontosít. Lehet®séget szolgáltat továbbá a nagy teljesítmény¶, nagy ismétlési frekvenciájú fényforrásával alapzikai kísérletek végzéséhez a 1023 W /cm2 intenzitástartományban. ELI-Nuclear Physics Facility (Bukarest, Románia)

F®ként a lézerek által kiváltható nukleáris jelenségekre összpontosít. Két nagy berendezést tartalmaz: az egyik egy nagyon nagy intenzitású lézer, a másik egy nagy teljesítmény¶ gamma sugár, amelyet egy lineáris gyorsító elektronjalábjának inkoherens Compton szórása segítségével állítanak el®. ELI-Attosecond Facility (Szeged, Magyarország)

F®ként az extrém rövid, attoszekundumos (10−18 s ) id®skálán atomokon, molekulákon, plazmán és szilárd testeken végzett dinamikai vizsgálatokra összpontosít. A THz-es (1012 Hz ) és a röntgen (1018 − 1019 Hz ) frekvenciatartományok között nagy ultrarövid impulzusú, nagy ismétlési frekvenciájú sugárforrásokat szolgáltat. Dr. K®házi-Kis Ambrus




ELI-ALPS küldetése

A nemzetközi tudományos kutatói közösség és az ipari alkalmazások területér®l érkez® felhaználók számára ultrarövid impulzusokat szolgáltató fényforrások széles skálájának rendelkezésre bocsátásával kutatási infrastruktúraként szolgáljon.

A 200 PW csúcsintenzitású impulzusok el®állításához szükséges tudományos és technikai fejl®dést el®segítse.





A felkínált fényforrások 10 Hz 100 kHz ismétlési frekvenciájú, néhány fényperiódus id®tartamú impulzusok a terrahertz (infravörös) tartománytól a petahertz (ultraibolya) tartományig. Attoszekundumos extrém-ultraibolya, lágy röntgen és kemény röntgen impulzusok 100 kHz-es és 10 Hz-es ismétlési frekvenciával akár mJ impulzusenergiákkal. Néhányszor 10 keV-os fotonenergiájú, femtoszekundumosnál rövidebb id®tartamú kemény röntgen impulzusok. Ultra-relativisztikus intenzitású, ultranagy id®beli kontrasztú, változtatható id®beli alakú impulzusok akár néhány Hz-es ismétlési frekvenciával. A fent említett fényforrások precíz szinkronizálása.





Alkalmazási területek Vegyérték elektron vizsgálatok

Az atomokon, molekulákon belüli, a vegyértékelektronok állapotváltozásain keresztül meggyelhet® folyamatok nagy id®felbontású vizsgálatára nyílik mód. Atomtörzsi-elektron vizsgálatok

Jelenleg a bels® elektronhéjak részletesebb vizsgálata csak nagy fotonenergiájú sugárzást kibocsátó szinkrotron forrásokkal kivitelezhet®, de csak limitált id®beli felbontással és koherens jelleg nélkül. 4D képalkotás

Az ultrarövid, koherens fényforrásokkal lehet®vé válik az elektronok mozgásának attoszekundumos id®beli és atomi lépték¶ térbeli vizsgálata. Relativisztikus kölcsönhatások

A nagyintenzitású lézermpulzusoknak és anyaggal való kölcsönhatása eddig nem vizsgált, relativisztikus jelenségek körébe vezetnek. Biológiai, orvosi és ipari alkalmazások

Az ifrastruktúrával végezhet® vizsgálatok alkalmazott alapkutatások körébe tartoznak. Dr. K®házi-Kis Ambrus




A tervezett épületegyüttes Szeged határában

A megépítend® épületek elegend® területet biztosítanak mintegy 150 kutató, fejleszt® és adminisztrációs tevékenységet folytató személy számára kialakítandó irodák, szemináriumi- és tárgyalótermek, könvtár és szociális helyiségek számára is. Dr. K®házi-Kis Ambrus




A tervezett épületegyüttes Szeged határában

A csúcstechnológiát képvisel® kutatási berendezések épületrészeinek speciális m¶szaki feltételeknek kell megfelelniük, els®sorban a

rezgésvédelem, a termikus stabilitás, a relatív páratartalom, a tisztaterek és a sugárvédelem tekintetében. Dr. K®házi-Kis Ambrus




Az alaprajz A épület A lézer technológia helyiségcsoportjai, B épület - a kiegészít® tudományos-m¶szaki területek helyiségcsoportjai, C épület a tudásközpontként is szolgáló, irodai és kutató funkciókat tartalmazó fogadó épület, D épület - a komplexum kiszolgálását, karbantartását és fenntartását biztosító multifunkcionális csarnok.





A lézerrendszer elemei

HR: nagy ismétlési frekvenciájú fényforrás SYLOS: Egy fényperiódusú lézer HF: intenzív lézerter¶ fényforrás Dr. K®házi-Kis Ambrus



Impulzusüzem¶ lézerek Sokfotonos folyamatok Lézeres anyagmegmunkálás

Nagy kérdések a Science magazin szerint 2005-b®l 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

15 16

Csak a mi univerzumunk létezik-e? Mi hajtja a kozmikus tágulást? Mikor és hogyan formálódtak a világ els® galaxisai? Honnan érkeznek az ultranagy energiájú kozmikus sugarak? Milyen folyamat táplálja a kvazárokat? Milyen a fekete lyukak természete? Miért van több anyag, mint antianyag? Elbomlanak-e a protonok? Milyen a gravitáció természete? MIért különbözik az id® a többi dimenziótól? Vannak-e a kvarkoknál kisebb épít®kövek? Vannak-e a neutrínóknak antirészecskéi? Konstruálható-e olyan egyesített elmélet, amely le tudja írni a korrelált elektronok ma ismert összes rendszerét? Maximálisan milyen intenzitású lézernyaláb állítható el®? Elméletileg a nagyon er®s lézersugár fotonjai szétporladnak elektron-pozitron párok keltése közben. Azt azonban senki nem tudja, hogy ez kísérletileg valóban megvalósítható-e? Készíthet®-e tökéletes optikai lencse? Lehetséges-e szobah®mérsékleten m¶köd® mágneses félvezet®ket el®állítani? Dr. K®házi-Kis Ambrus




A jelek hosszának rövidülése





Lézerimpulzusokkal elérhet® intenzitás növekedése





Lézerimpulzusok jellemz®i A fényimpulzusok térbeli hossza:

L=cτ

,

a fényimpulzusok maximális teljesítménye:

Pmax =

E

,

τ

a fényimpulzusok maximális intenzitása:

P Imax = max A

,

a fényimpulzusok elektromos térer®ssége:

q

Emax [V /cm] = 27 Imax [W /cm2 ] Dr. K®házi-Kis Ambrus




Lézerekkel kelthet® elektromos tér er®ssége

El®állítása

τ [s]

Normál imp. (Nd)

10−6

Q-kapcsolt (Nd)

10−9

ML (Nd:YAG)

10−11

ML (Ti:zafír)

10−14

CPA (Ti:zafír)

10−14

ELI (Ti:zafír)

10−14

L

W

[J]

Pmax

[W]

A [cm2 ]

Imax

[W/cm2 ]

Emax

[V/cm]

300 m

10−3

103

10−4

107

8, 5 104

0,3 m

10−3

106

10−4

1010

2, 7 106

3,0 mm

10−3

108

10−4

1012

2, 7 107

3,0 µ m

10−8

106

10−4

1010

2, 7 106

3,0 µ m

10−2

1012

10−4

1016

2, 7 109

3,0 µ m

40

4 1015

10−6

4 1021

1, 7 1012

11

Az atomi elektromos terek nagyságrendje a 10 nagyságrendjébe esik.



V/cm érték



Felvetés

Felmerül azonban a kérdés, hogy hogyan lehetséges ilyen rövid és intenzív fényimpulzusok létrehozása.

A következ®kben erre próbálok választ adni.





A lézerm¶ködés feltétele a populáció-inverzió

A bees® fény indukált emisszió révén er®södik, ha a magasabb energiájú állapotban több atom van, mint az alacsonyabb energiájú állapotban. Az er®sítés eléréséhez az anyagot speciálisan kell gerjeszteni. A gerjesztés módja szerint különböztetünk meg többek között szilárdtest-, gáz-, festék- és félvezet® lézereket. Dr. K®házi-Kis Ambrus




A szilárdtest lézereket optikailag pumpálják

Manapság az optikai pumpálás f®ként lézerekkel történik.





Lézer rezonátora

A két végtükör között a fény oda-vissza ver®dve feler®södik.





Normál impulzusok

Amikor a populációinverzió meghaladja azt a küszöbértéket, amely fölött a körülfutási er®sítés nagyobb, mint egy, akkor a lézerben egy jellemz®en 1 µ s hosszúságú fényimpulzus keletkezik, amely a populációinverziót lenullázza. Dr. K®házi-Kis Ambrus




Q-kapcsolás

Egy optikai zár csak jóval a lézer populációs küszöbének elérése után engedi elindulni a lézert. A nagyobb populáció-inverzió miatt nagyobb er®sítés jellemz®en 10 ns hosszúságú fényimpulzusok keltését teszik lehet®vé. Dr. K®házi-Kis Ambrus




Módusok csatolása

A rezonátor longitudinális módusai fázisait csatolva elérhetjük, hogy a rezonátor körülfuási ideje adta periódusid®vel rövid impulzusok sorozata alakul ki. Az impulzusok id®tartama attól függ, hogy milyen széles spektrális tartományban tudjuk a módusokat egymáshoz csatolni. Dr. K®házi-Kis Ambrus




Lézerek módusai csatolásának lehet®ségei Lehetséges a rezonátorbeli fényszaláb amplitúdó-, illetve fázismodulációjával is. Lehet aktívan, de lehet passzívan is, azaz aktív beavatkozás nélkül is. Aktívan: forgótükörrel, elektropotikai modulátorral, akusztooptikai modulátorral. Passzívan: telít®d® abszorpciójú anyaggal (festék, dielektrikum tükör), optikai Kerr-hatás okozta önfókuszálás kihasználásával, illetve segédrezonátorok jelének interferenciája okozta moduláció segítségével. A passzív eljárásokkal lehet rövidebb lézerimpulzusokat el®állítani, mert az adaptív moduláció gyorsaságát, hatékonyságát nem lehet aktív eljárások lassabb modulációs jeleivel utolérni. Dr. K®házi-Kis Ambrus




Normális diszperzió hatása

Átlátszó közegeken áthaladó nagyon rövid fényimpulzusok id®tartama megnövekszik: az anyagi diszperzió hatására szokásos esetben (normális diszperzió) a hosszabb hullámhosszúságú fénykomponensek el®re szaladnak. A szokásostól eltér®, anolális diszperzió esetén a hosszabb hullámhosszúságú fénykomponensek maradnak le. Dr. K®házi-Kis Ambrus




Diszperzió kompenzálása





Néhány ciklusos fényimpulzusok

Elegend®en széles spektrumú lézeranyag, elegend®en gyors és hatékony moduláció és megfelel® diszperzió-kompenzálás esetén a fény periódusidejének nagyságrendjébe es® impulzus id®tartamok is elérhet®ek. Ekkor már az is fontos, hogy mekkora a burkoló és a viv®hullám relatív fázisa. Dr. K®házi-Kis Ambrus




CPA (Chirped Pulse Amplication)

Az er®sít®anyagban elkerülhetjük a nemlineáris jelenségek felléptét, ha az impulzusokat megnyújtjuk a fényer®sítés kedvéért. Dr. K®házi-Kis Ambrus




Magas harmonikus keltés gázokban





Magas harmonikus keltés gázokban

Az elektron rekombinációja során a felvett több foton energiáját egyetlen nagy energiájú foton kibocsátásával az elektron.





A harmonikusok összege attoszekundumos impulzust ad Rögzített fázisú összegzés esetén:

N

E (t ) = ∑ E0 cos (k ω t ) k =1 " N

#

E (t ) = Real ∑ E0 exp (i k ω t ) k =1

E (t ) = E0 Real e i ω t + e i 2 ω t + . . . . . . + e i N ω t h

2

2

|E (t )| = |E0 |


N − 1) ω t ) sin ω t

sin ((

2


i



A harmonikusok összege attoszekundumos impulzust ad

Az ötlet ugyanaz, mint a móduscsatolt lézerimpulzusok keltésénél. Kiderült, hogy a móduscsatolást a magas harmonikus keltési folyamata automatikusan elvégzi.





Attoszekundumos impulzusok keltése





Lézeres anyagmegmunkálás

Mert intenzív, jól fókuszálható és kiválóan automatizálható





Sokoldalú alkalmazhatóság

A lézer paramétereinek megválasztásával nagyon sokféle alkalmazasra van lehet®ség. Dr. K®házi-Kis Ambrus




Impulzuslézerek alkalmazása

Rövid fényimpulzusokkal nagyon határozott, jól deniált alakzatokat lehet kialakítani.





Nanomegmunkálás

Rövid fényimpulzusokkal másképpen elképzelhetetlen méretben lehet alakzatokat kialakítani.





Technológiai min®ség

A lézeres technológiák elterjedése a technikai színvonal emelkedésével jár.

A technológiával elérhet® kiváló min®ség javítja a gazdaság versenyképességét.

Az elterjedést segíteni kell a munkaer®piaci szerepl® ezirányú ismereteinek b®vítésével.




A TÁMOP pályázatunk témája A képzés háttere f®iskolánkon A képzés paraméterei

A pályázat küldetése A pályázat f® célkit¶zése, egy olyan hazai ELI-konzorcium

alapjainak lerakása, mely konkrét szolgáltató intézménycsoportként is m¶ködik, és amely a regionális, ágazati kapacitásfejlesztésekhez igazodva a regionális-térségi

munkaer®-piaci igényeket elégíti ki egységes szolgáltatási portfolió kialakításával.

Lézerzikai Oktatási Klasztert hoz létre a fels®okatatás intézmények fotonikai

Ennek érdekében a konzorcium vállalja, hogy képzésének összehangolására.

Lézertechnikai Platformot hoz létre az ipari- és kutatóintézetek és az oktatóintézetek igényeinek, tevékenységének koordinálására.





Lézeres tárgyú képzések A pályázat megvalósítása során a konzorciumi partnerek, egyéb tevékenységek mellett, oktatási anyagokat dolgoznak ki doktori iskolák, mesterfokú képzések, alapfokú képzések számára. De oktatási anyagokat állítanak össze még tréningek, ismeretterjeszt® el®adások számára is. Az oktatásfejlesztés szerteágazó területeken, interdisciplináris jelleggel is történik. Egy Lézertechnológus szakirányú szakmérnökképzést is elindít az ágazat szakmérnök igényeinek kielégítésére.





Kutatás Fejlesztés Innováció a GAMF Karon Lézerzikai kutatások Járm¶ipari vizsgálatok Készülék-, szerszámtervezés, technológiaracionalizálás Automatizálási, ipari informatikai rendszerek tervezése Anyagok összetételének meghatározása, az anyagtulajdonságok mérése és a feldolgozás-technológia optimalizálása Hossz-, és geometriai méréstechnika Alkalmazott informatika





Lézeres kutatólaboratórium

TIOP pályázat keretében 2011-ben egy lézerzikai kutatólaboratóriumot és egy száloptikai hallgatói laboratóriumot hoztunk létre.





Másoddiplomás képzés

A képzésre az alapfokú képzésben gépészmérnöki diplomát szerzett hallgatók jelentkezhetnek. Dr. K®házi-Kis Ambrus




Köszönöm a gyelmet!



Lézertechnológusok képzése a szegedi szuperlézer (ELI-ALPS) fényében

Recommend Documents