Kutatástechnológia

Kutatástechnológia

Attoszekundumos források

Attoszekundumos impulzusok

Az ELI-ALPS elsődleges küldetése új szintre emelni az előállított extrém ultraibolya (XUV=extreme ultraviolet) attoszekundumos impulzusok minőségét az impulzusok energiájának, ismétlési frekvenciájának és azok fotonenergiájának tekintetében. Ezen cél megvalósítása csak a legmagasabb minőségű elsődleges lézerforrások birtokában lehetséges, és innovatívan, szakavatott módon megtervezett magasharmonikus nyalábvonalakkal biztosítható. Az ELI-ALPS létesítményében a nagy teljesítménysűrűségű attoszekundumos impulzussorozatok és az izolált impulzusok előállítása két módszerrel; gázokban (GHHG=Gas High Harmonic Generation), valamint szilárd felületen (SHHG=Surface High Harmonic Generation) történő magas harmonikusok keltésével valósul meg. Az ELI-ALPS kutatóintézetben működő másodlagos források várható teljesítménye, illetve ezen paraméterek már létező forrásokkal való összehasonlítása a 4. táblázatban látható.

4.táblázat: A jelenlegi XUV impulzusforrások és az ELI-ALPS-nál müködő attoszekundumos nyalábvonalak főbb paramétereinek összehasonlítása
 

Ismétlési frekvencia (Hz)

Impulzushossz (fs)

Impulzusenergia

(μJ)

Csúcsteljesít-mény (GW)

Hangolási tartomány (eV)

Szinkrotronok

≥ 106

> 102

≈ 10-9⋆

≤ 10-9⋆

10-3 - 105

SASE FEL #

1-5000

30 - 300

1 - 500

0.03 – 16

28 - 295

Seeded FEL *

10

≈ 100

20 - 100

0.2 – 1

12 - 60

GHHG

103 - 105

0.07 - 0.5

< 0.01

≤ 10-3

10 - 120

 

10 – 100

0.07 - 0.5

0.1 - 10

10-3 – 1

10 - 120

GHHG HR †

105

≤ 0.5

≤ 10-4

≈ 0.002

17 - 90

GHHG SYLOS †

103

≤ 0.5

≈ 1

≥ 2

10 - 70

SHHG SYLOS †

103

≤ 1

≤ 1-30

≤ 3

8 - 60

⋆ A FEL-hez viszonyított becsült csúcsfényesség. ##FLASH-hez tartozó értékek, * FERMI@ELETTRA-hoz tartozó értékek. † Konzervatív becslés, az üzemelési értékek várhatóan jobbak lesznek.

Magas harmonikus keltés gázokban– GHHG

A gázokban történő magas harmonikus keltés jól megalapozott módszer attoszekundumos XUV impulzusok előállítására, amely folyamat során egy IR lézerimpulzust nemesgázzal töltött gázcellába vagy gázsugárba fókuszálnak. A megalapozottság ellenére számtalan kísérleti és technikai kihívást kell megoldani ahhoz, hogy teljes mértékben kiaknázhassuk az ELI-ALPS elsődleges lézerrendszerei által szolgáltatott kiemelkedő impulzusenergiák és ismétlési frekvenciák nyújtotta lehetőségeket. Az egyik legnagyobb problémát az aktív közeg ionizációja okozza, mely határt szab a keltő lézerimpulzusok csúcsintenzitásának.

Az ELI-ALPS négy, gáz ionizáción alapuló, magas harmonikusokat szolgáltató nyalábvonalat kínál, melyek közül kettőhöz a SYLOS, kettőhöz pedig a HR lézer biztosítja az IR lézerimpulzusokat. Mind a négy nyalábvonal elérhető lesz a felhasználók számára kísérleteik elvégzéséhez, ugyanakkor intézményünk fontos célja, hogy a nyalábvonalak segítségével az attoszekundumos forrásokat tovább fejlessze annak érdekében, hogy azok jellemzőit a felhasználok igényeihez igazítsa, és biztosítsa, hogy ezen források továbbra is az élvonalhoz tartozzanak. A nyalábvonalakat úgy terveztük, hogy mind SAP (izolált attoszekundumos impulzus) mind pedig APT (attoszekundumos impulzussorozat) üzemmódban lehessen őket üzemeltetni maximális XUV-fluxus mellett.

Habár a HR nyalábvonalakhoz mérsékeltebb impulzusenergiák tartoznak, a nagy ismétlési frekvencia (100 kHz) következtében nagy átlagteljesítmény jut az optikai elemekre. A vivő-burkoló fázis (CEP) fluktuációjának elkerülése illetve a csoportkésleltetés-diszperió (GDD) csökkentésének érdekében egyedi gyártású hűtött optikai elemeket kell használni.

5. ábra: A két HR GHHG nyalábvonal terve: a) GAS nyalábvonal, mind a két diagnosztikai szekció egy időben elérhető;

b) CONDENSED nyalábvonal, a spektrális diagnosztika nem érhető el a kísérlettel egy időben.

A SYLOS lézerrendszerre épülő nyalábvonalak, előzetes optimalizálási tanulmányok alapján, gyenge fókuszálással érik el, hogy az attoszekundumos impulzusok a lehető legnagyobb hatékonysággal keletkezzenek. 

6. ábra: A GHHG SYLOS LONG nyalábvonal vázlatos terve

A SYLOS LONG nyalábvonal (a nyalábvonal sematikus elrendezése a 3. ábrán látható) egy nagyon hosszú, gyenge fókuszálású elrendezésben (20-55 m) és - ezzel összhangban - alacsony nyomású (néhány mbar) gázzal töltött hosszú (néhány 10 cm) gázcellában éri el a harmonikuskeltéshez szükséges fázisillesztést. Ezzel szemben a SYLOS COMPACT nyalábvonal (sematikus rajzát lásd a 4. ábrán) az előbbinél rövidebb fókusztávolságú (3-10 m) gyenge fókuszálással, nagyobb nyomású (néhány bár) gázban, rövidebb kölcsönhatási hosszon biztosítja a fázisillesztést. Mindkét rendszer lehetőséget kínál a kimeneti teljesítmény további növelésére a kvázi-fázisillesztés által több keltési zóna (gázcella) beillesztésével. A fennmaradó, XUV tartományba át nem alakult IR lézerfény eltávolítása a SYLOS LONG nyalábvonal esetén a keltő és keletkező impulzusok különböző divergenciájának felhasználásával, a SYLOS COMPACT nyalábvonal esetén gyűrűszerű lézernyalábok alkalmazásával majd apertúrázással történik. Emellett XUV-visszaverő és IR-transzmittáló szilícium lapokkal szűrhető ki a fennmaradó IR komponens. 

7. ábra: a GHHG SYLOS COMPACT nyalábvonal sematikus terve

SYLOS Phase 1 esetén a lézerimpulzusok hossza túl nagy ahhoz, hogy izolált attoszekundumos impulzust kelthessenek, ezért az XUV generálási időt a vivőhullám egyetlen félciklusára kell limitálni, amihez kapuzásos technika alkalmazására van szükség. SYLOS Phase 2 esetén mindez szükségtelenné válik, hiszen ebben az esetben a lézer impulzushossza 2 optikai ciklus alatt van. Az 5. táblázat a SYLOS lézer impulzusainak segítségével előállított attoszekundumos impulzusok jellemzőit mutatja be a SYLOS LONG másodlagos forrás esetén.

5. táblázat

 

 

Phase 1

Phase 2

Attosecond 

pulses

trains

Isolated 

attosecond

 pulses

Attosecond

pulse

trains

Isolated 

attosecond

 pulses

Spectral range (eV)

17-30 eV (generating gas: xenon or krypton, aluminum filter)

Output energy at the end station interaction point (pJ)

15-50

5-15

85-250

25-90

Spectral range (eV)

25-55 eV (generating gas: argon, aluminum filter)

Output energy at the end station interaction point (pJ)

5-25

3-8

35-125

10-35

Spectral range (eV)

70-90 eV (generating gas: neon, zirconium filter)

Output energy at the end station interaction point (pJ)

3-10

1-3

15-45

4-15

Szilárd anyag felszínén keltett magasrendű harmonikusok előállítása - SHHG

Egy ultrarövid, nagy időbeli kontraszttal rendelkező lézerimpulzus és felületi plazma relativisztikus kölcsönhatásakor bekövetkező magasrendű harmonikus keltés lehetőséget biztosít arra, hogy fényvisszaverődés segítségével történjen az attoszekundumos impulzusok keltése. Az intenzív (I > 1017 Wcm-2) ultrarövid lézerimpulzus felfutó éle egy optikai minőségűre polírozott szilárd anyaggal kölcsönhatásba lépve egy vékony, magas fényvisszaverő képességű plazma réteget (plazmatükör, PM=Plasma Mirror) hoz létre a szilárd anyag felszínén. Ha a beérkező fényimpulzus polarizációs iránya a beesési síkba esik, a főimpulzus nemlineáris kölcsönhatásba lép a plazmatükörrel. A periodikusan ismétlődő, relativisztikus elektrondinamika következtében a plazmatükör a visszavert fényben időben periodikus csúcsokat hoz létre.

8. ábra

Szilárd anyag felszínén keltett magasrendű harmonikusok előállítása (SHHG=Surface High Harmonic Generation) két, egymással versengő fizikai mechanizmuson keresztül lehetséges, amik közül az egyes folyamatok dominanciáját elsősorban a lézerimpulzus intenzitása illetve a plazmatükör gradiense határozza meg. A koherensen ébredő tér keltésekor (CWE=Coherent Wake Emission) a lézer- és a plazma tér kombinációja kirántja a felületi elektronokat a plazmából a vákuumba, majd azután azok visszazuhannak a magas sűrűségű plazmába. Ez a folyamat töltéssűrűség-hullámokat gerjeszt a visszatérő elektronokhoz kapcsolódó ébredő térben a plazmasűrűség-gradiensen keresztül. Ezek a plazmaoszcillációk bocsátják ki a lézer optikai ciklusánál rövidebb fényimpulzusokat a lézertér minden optikai ciklusában, és emiatt a beérkező lézernyaláb páros és páratlan felharmonikusai is megjelennek a keltett sugárzásban. Magasabb lézerintenzitás értékeknél (Iλ2 ≳ 1018 Wcm-2μm2) az elektronok mozgása relativisztikussá válik a lézertér hatására. A fényvisszaverő plazmafelület relativisztikus oszcillációja a visszavert fény periodikus Doppler-eltolódáshoz  vezet, ami a visszavert spektrumban fázisillesztett ”ROM” (=Relativistic Osicllating Mirror, Relativisztikus Oszcilláló Tükör) harmonikus frekvenciákat hoz létre. Mindkét mechanizmus olyan sugárzás előállítását teszi lehetővé, amely jellemzői alapján az alacsonyabb lézerintenzitásokkal gázokban keltett esetet jól kiegészítő attoszekundumos impulzusforrásként szolgálnak. Az SHHG és GHHG ezen, egymást kiegészítő tulajdonságai a 6. táblázatban olvashatók.

6. táblázat: A gázban és plazma tükör relativisztikus gerjesztésével keltett magasrendű harmonikusok összehasonlító jellemzése. Az SHHG jellemzői lineárisan polarizált egyszínű keltésre vonatkoznak

Tulajdonságok

Gázban keltett magasrendű harmonikusok 

Szilárd anyag felületén keltett magasrendű harmonikusok 

Magasrendű harmonikus spektrum

Csak páratlan harmonikusok

Mind páros, mind páratlan harmonikusok

Attoszekundumos csúcsok ciklusonként

Ciklusonként kettő, π fázistolással

Minden ciklusban egy, amelyek fázisban vannak

Magasrendű harmonikusok levágása és intenzitása

A telítési intenzitás korlátozza. A harmonikus intenzitás és a spektrális levágás a telítési intenzitás után nem növelhető tovább.

Nincs korlátozás. A harmonikusok intenzitása a lézer intenzitásával skálázódik, a spektrális levágási pont pedig vagy az anyagi minőségtől függ (CWE) vagy a lézer intenzitásával nő (ROM).

Fázisillesztettség

A gázban keltett magasrendű harmonikusok transzmisszióban keltődnek. A terjedés során fázisillesztettségre van szükség intenzív harmonikusok keltéséhez. A keltett harmonikusok tulajdonságai függenek a fázisillesztettségtől.

Szilárd anyag felszínén keltett magasrendű harmonikusok reflektálódva keltődnek. A fázisillesztettséget maga a fizikai folyamat biztosítja.

Sugárzási jellemzők idő- és térbeli csatolódás (STC=Spatio-Temporal Couplings)

A magasrendű harmonikusok jellemzőinek alapvetően van idő- és térbeli csatolódása függetlenül a fázisillesztettségtől.

Szilárd anyag felszínén keltett magasrendű harmonikusok keltése esetén nincs alapvetően idő- és térbeli csatolás.

A HHG sugárzás használata a forrás vizsgálatára 

GHHG harmonikusokat atomi, molekuláris és kondenzált anyagok szerkezeti és dinamikai vizsgálata során alkalmaznak.

A szilárd anyag felszínén keltett magasrendű harmonikusokat attoszekundumos elektron dinamika vizsgálatára alkalmazzák a mikron mérettartományba eső plazmában.

Az ELI-ALPS kutatóintézetben két nyalábvonal fogja azt a célt szolgálni, hogy kiaknázza az SHHG-ban rejlő lehetőségeket: az egyiket a SYLOS, a másikat pedig a HF lézer impulzusai táplálják. Mindkét nyalábvonal kutatásfejlesztési célokat is szolgál, tehát fontos küldetésük, hogy a nagyintenzitású, relativisztikus jellemzőkkel bíró lézer-anyag kölcsönhatásokat és XUV-sugárzáshoz kötődő tudományterületek csúcstechnológiájának határait minél szélesebbre tolják.  

Csupán a fókuszálási feltételek és a plazmajellemzők változtatásával a SYLOS SHHG nyalábvonala képes lesz elérni mind a CWE, mind a ROM SHHG tartományt. Az ”alacsony kontrasztú mód” gyenge fókuszálást alkalmaz annak érdekében, hogy a beérkező lézerintenzitás a ROM küszöb (1018 Wcm-2) alatt maradjon, míg a ”magas kontrasztú mód” egy további plazmatükrös eljárást használ az impulzus kontrasztjának javítására és ezután, ezt a ”tiszta” impulzust erősen fókuszáljuk a céltárgyra a
~ 10­19 – 1020 Wcm-2 intenzitás eléréséhez. A 9. ábra szemlélteti a SYLOS SHHG nyalábvonalat.

9. ábra: a SYLOS SHHG nyalábvonal sematikus terve

A SHHG céltárgyon kialakuló plazma sűrűségprofiljának és a néhányciklusú lézerimpulzusok fázisának finomhangolása lehetővé teszi a létrehozott attoszekundumos impulzusok időbeli jellemzőinek optikai ciklusnál finomabb állíthatóságát. Az SHHG SYLOS nyalábvonal lesz az első olyan SHHG nyalábvonal, amely a relativisztikus intenzitások megtartása mellett kHz-es ismétlési frekvencián működik.

7. táblázat: Az SHHG SYLOS nyalábvonal tervezett specifikációi

Attoszekundumos impulzusok adatai

SYLOS 1

SYLOS 2

Impulzussorozat

Izolált impuzus

Impulzussorozat

Izolált impuzus

Spektrális tartomány*

8–40 eV

6–20 eV

8–60 eV

6–40 eV

Impulzusenergia az SHHG forrás esetén*

1–10 μJ

0.3–3 μJ

3–30 μJ

1–10 μJ

Impulzusenergia a kísérleti állomás kölcsönhatási tartományában*

0.3–3 μJ

0.1–1 μJ

1–10 μJ

0.3–3 μJ

Impulzushossz a kísérleti állomás kölcsönhatási tartományában*

< 10 fs

< 1 fs

< 5 fs

< 1 fs

Foltméret a kísérleti állomás kölcsönhatási tartományában

< 10 μm

< 10 μm

< 10 μm

< 10 μm

Az SHHG forrás esetén kibocsátott nyaláb divergenciája 

< 1 rad

Polarizációs állapot

lineáris, vízszintes

*A becslések egylövéses, hosszú lézerimpulzust alkalmazó, nagyenergiájú lézerkísérleteken alapulnak.

Az SHHG PW nyalábvonal képes lesz a 10­21 – 1022 Wcm-2 nagyságrendbe eső fókuszált intenzitás elérésére, ami lehetővé teszi az extrém módon relativisztikus lézerplazma kölcsönhatások vizsgálatát, ahol a ROM folyamaton alapuló SHHG hatékonysága és a lefedett spektrális tartomány megnő, megnyitva az utat még intenzívebb és még rövidebb attoszekundumos impulzusok felé.

Az SHHG céltárgyon kialakuló plazmasűrűség-profiljának finomhangolási lehetősége, a céltárgy csúcstechnológiájú, visszacsatoláson alapuló stabilizálása, valamint a HF-PW lézer által biztosított nagy tér- és időbeli kontrasztú fókuszálás egyedi felhasználói kísérletek elvégzését teszi majd lehetővé a fejlesztési időszak után. Az SHHG PW emellett az első olyan SHHG nyalábvonal lesz, ami 10 Hz ismétlési frekvencián, petawattos ultrarövid lézerimpulzusokkal dolgozik.

A kutatóintézet továbbá saját elektromos-, mechanikai- és optikai műhellyel rendelkezik, hogy a változatos kísérleti igényeknek megfelelő, egyedi komponensek helyben előállíthatók lehessenek.

január

24

csütörtök