Kutatástechnológia

Kutatástechnológia

Lézerek

Elsődleges lézerforrások

Az ELI-ALPS-ban négy fő lézerforrás üzemel: közülük három 100 W-os átlagteljesítménnyel a közeli infravörös (near infrared - NIR), egy pedig 10 W-os átlagteljesítménnyel a közép-infravörös (mid-infrared - MIR) tartományban. A négy rendszer által kibocsátott fényimpulzusok paraméterei – impulzushosszuk, ismétlési frekvenciájuk és impulzus-energiájuk – egyedi kombinációkat képviselnek. Ezen új generációs lézerek jellemzően szub-pikoszekundumos szál-oszcillátort, szálerősítőt,  fehér fénnyel való magimpulzus-keltést tartalmaznak, így biztosítva a passzív vivő-burkoló fázis (CEP) stabilitást. Mind a négy rendszer központi órajellel szinkronizálva folyamatosan legalább napi 8 órában fog működni.

 

HR lézer – Nagy ismétlési frekvenciájú lézerrendszer

Ez a rendszer két elektromágneses oszcilláció időtartamánál rövidebb (~6 fs) impulzusokat állít elő 1030 nm körüli hullámhossztartományban, TW-os csúcsteljesítménnyel. Az impulzusokkal két másodlagos forrást működtetve gázban keltett magas felharmonikusok keltésével attoszekundumos impulzusokat generálunk.

1.ábra: A HR lézer sematikus ábrája

A lézer vivőhullám-burkoló fázis (CEP) stabilizált oszcillátort használ 1030 nm-es hullámhosszal, 80 MHz-es ismétlési frekvenciával. Ezt a frekvenciát akuszto-optikai modulátorok csökkentik 100 kHz-re. Az előerősítő nagy módusátmérőjű (LMA) szálerősítők (65 µm, 1 m) használatával 20 W-os teljesítményre erősíti ezeket az impulzusokat. Végül az impulzusokat 2 ns-osra terjesztjük ki egy rács alapú impulzusnyújtó eszközzel.

A nyújtó kimenetét nyalábosztókkal több csatornára osztjuk és 8 párhuzamos LMA szálerősítőben tovább erősítjük. A szálerősítő csatornákat nagy teljesítményű lézerdiódák pumpálják, 60 W-os teljesítményt eredményezve minden kimeneten. A létrejött impulzusokat koherensen kombináljuk, majd megközelítőleg transzformáció-limitáltra (~200 fs) kompresszáljuk. Végül az impulzusokat két lépcsőben nemesgázzal töltött kapilláris szálakban 2 ciklusnyi időnél rövidebbre összenyomjuk,  és csörpölt tükrökre irányítjuk.

1.táblázat

Paraméterek

HR 1

HR 2 (tervezett)

Elérhető

2018 február óta

2019 júliustól

Középhullámhossz λc

1030 nm

1030 nm

Ismétlési frekvencia

100 kHz

100 kHz

Átlagteljesítmény

>100 W

>500 W

Impulzusenergia

>1 mJ

>5 mJ

Impulzushossz (@λc)

<6.2 fs (<1.85 ciklus)

<6.0 fs (<1.8 ciklus)

Kimeneti energia stabilitás

<0.8% (rms)

<0.8% (rms)

Nyalábminőség (Strehl arányszám)

>0.9

>0.9

CEP-stabilitás

<100 mrad (rms)

<100 mrad (rms)

Nyaláb iránystabilitás

<2.5% (diffrakció limitált div.)

<2.5%

SYLOS – Egyciklusú lézer

Az egy optikai ciklusú lézer – SYLOS - segítségével szilárd és gáz alapú magasrendű harmonikusok keltésével az extrém-ultraibolya (XUV) és a lágy röntgen tartományban nyílik lehetőség attoszekundumos impulzusok előállítására. A Sylos 2A lézerrendszer jelenleg az első megvalósítási fázisának végén 1 kHz-es ismétlési frekvencián állít elő 2.2 ciklusú, 6.5 fs-nál rövidebb impulzusokat 4.5 TW-os csúcsteljesítménnyel [1]. Megbízhatóságának, hangolhatóságának, az impulzusenergia, az iránytartási valamint a vivő-burkoló fázis stabilitásának köszönhetően már most új mércét jelent a lézeres iparban. Ezek a tulajdonságok valóban rendkívül fontosak is lesznek az ELI-ALPS felhasználói számára, hiszen az ELI-ALPS lézerrendszerei közül a SYLOS esetében számítunk a legnagyobb igénybevételre, miután a második fejlesztési fázist követően 15 TW-os csúcsteljesítménnyel szállít majd 2.2 ciklusnál rövidebb impulzusokat, továbbra is 1 kHz ismétlési frekvencia mellett. A SYLOS lézerrendszer lelke a jelenleg legkorszerűbbnek mondható nem-kollineáris optikai parametrikus csörpölt impulzuserősítés (NOPCPA). A magimpulzusként használt fehér fényt a pikoszekundumos impulzushosszal rendelkező pumpalézer több fokozatban erősíti fel, amely így 6.5 fs-nál rövidebb 908 nm-es központi hullámhosszú impulzusokat állít elő. Az egyciklusú rezsim egy jövőbeli K + F program keretében kompressziós módszerekkel válik majd elérhetővé.

2. ábra: A SYLOS 2A lézer sematikus ábrája

A lézerrendszer forrását egy Yb:KGW oszcillátor nyújtja, amely az ELI-ALPS központi órájához szinkronizált magimpulzusokat szolgáltat mind az erősítendő jel, mind a pikoszekundumos pumpalézer számára. Az oszcillátort követően a magimpulzusok energiáját az előerősítő fokozatban a µJ-os tartományra növeljük, továbbá fehér fény keltésével (WLG) érjük el a rövid impulzusidőhöz szükséges spektrális szélességet, amely így lefedi a 720 nm és 1250 nm közötti tartományt, 908 nm-es központi hullámhosszal. Az előerősítő fokozatban a passzív különbségi frekvenciakeltésnek (DFG) köszönhetően kiváló vivőburkoló fázisstabilitás valósul meg. A magimpulzus időbeli nyújtása egy prizma-rács párral (az angol megfelelőjükből összeolvasztva „grisms”), valamint egy akuszto-optikai modulátorral (Dazzler) valósul meg, ami így azonos hosszúságú lesz a pumpalézer impulzusával. A rendszer kiemelkedő stabilitási tulajdonságait a legmodernebb diódapumpált Nd:YAG pumpalézerek segítségével érjük el, amellyel a fő erősítési fokozatokat (NOPCPA) hajtjuk meg. Az alkalmazott technológia lehetővé teszi az impulzus központi hullámhosszának könnyű hangolhatóságát, illetve spektrális formálását a pumpaimpulzus késleltetésével, illetve a fázisillesztési szög változtatásával. Az erősítés közben negatív diszperzióval rendelkező impulzusok időbeli összenyomását első körben nagyméretű üvegtömbökkel végezzük el, majd vákuumkörnyezetben, pozitívan csörpölt tükrök segítségével állítjuk elő a 6.5 fs-nál rövidebb 35 mJ-os energiájú impulzusokat az 1 kHz-es ismétlési frekvencián. Egy hasonló paraméterekkel rendelkező SYLOS beállító lézer is elérhető 10 Hz-en, ami a felhasználói kísérletek előkészítésére használható, az 1 kHz-es SYLOS nyaláb igénybe vétele előtt.

2. táblázat - A SYLOS és beállító lézerek kimeneti impulzus paraméterei

Paraméterek

Sylos beállító

SYLOS 2A

SYLOS 2B (célzott)

Elérhető

2019 januártól

2019 márciustól

2020 júniustól
Csúcsteljesítmény

> 3.5 TW

> 4.5 TW

> 15 TW

Impulzushossz

12 fs

< 2.2 optikai ciklus (< 6.5 fs)

< 2.2 optikai ciklus (< 6.5 fs)

Központi hullámhossz

840 nm

880 nm

~900 nm

Ismétlési frekvencia

10 Hz

1 kHz

1 kHz

Vívő-burkoló fázis stabilitása

-

< 250 mrad

< 250 mrad

Energiastabilitás

< 1.0 %

< 1.0 %

< 1.0 %

Időbeli kontraszt

> 108

> 1010

> 1010

Strehl-szám

> 0.7

> 0.7

> 0.5

Pikoszekundumos pumpalézer impulzushossza

90 ps

90 ps

90 ps

 

[1] R. Budriūnas, T. Stanislauskas, J. Adamonis, A. Aleknavičius, G. Veitas, D. Gadonas, S. Balickas, A. Michailovas, and A. Varanavičius, "53 W average power CEP-stabilized OPCPA system delivering 5.5 TW few cycle pulses at 1 kHz repetition rate," Opt. Express 25, 5797-5806 (2017)

 

HF - Nagyintenzitású lézer

A nagyintenzitású lézer (HF: high field) egy közös magimpulzusokat generáló frontend egységből kiinduló, két ágból álló lézerrendszer. A fő ág 17 fs időbeli hosszúságú, 2 PW csúcsteljesítményű impulzusokat generál 10 Hz ismétlési frekvencián nagy időbeli kontraszt mellett. A másik ágban, a HF-100 rendszerrel alacsonyabb energiájú, azonban 4 optikai ciklusnál rövidebb, 50 TW csúcsteljesítményű impulzusok keletkeznek 100 Hz ismétlési frekvencián. A két kar közötti pontos szinkronizációt a magimpulzusok közös frontendben történő generálása biztosítja.

3. ábra: A HF lézer sematikus elrendezése: HF-2PW kar (alul) és HF-100 frontend (felül), ahol DPSSL a dióda-pumpált szilárdtest lézert, FLP a villanólámpa pumpálást, illetve MPA a többpasszos erősítőt jelöli.

A HF rendszer közös magimpulzust előállító rendszere egy lézeroszcillátorból és az azt követő két külön előerősítő egységből áll, amivel optimálisan állíthatók elő a két ág eltérő impulzusparaméterei. A frontendben a jelenlegi legmodernebb lézer technológiákat - Ti:zafír alapú fázismodulált impulzuserősítés (CPA), optikai szállézerek, nemlineáris optika és az optikai parametrikus fázismodulált impulzuserősítési (OPCPA) séma - alkalmazza. A lézeroszcillátor egy szub-pikoszekundumos optikai szál alapú lézer, amely által generált magimpulzusokat egy korongerősítőbe csatolva 1,5 mJ energiájú impulzusokat állítunk elő 1030 nm hullámhosszon. Az impulzusok energiájának egy kis részével szélessávú sugárzást, ún. fehér fényt keltünk, míg a maradék impulzusenergiával a passzív CEP-stabilitást biztosító különbségifrekvencia-keltő egységet működtetjük. Ennek kimenetét frekvencia-kétszerezve (SHG), OPA technikával erősítve, majd időben összenyomva a kapott impulzusokat, egy további frekvencia-kétszerezéssel állítjuk elő a kívánt 800 nm központi hullámhosszú impulzusokat. Ezt a lézernyalábot aztán kettéosztjuk.


A HF-100 frontend rendszerbe menő, 1 µJ energiájú impulzusokat időben kinyújtjuk és egy akuszto-optikai berendezéssel előkondicionáljuk. A nyújtott impulzusokat két egymást követő Ti:zafír erősítő segítségével 12 mJ energiáig erősítjük, majd egy rácsos kompresszor segítségével 25 fs hosszúságra nyomjuk össze. Végül keresztpolarizációs hullámkeltést alkalmazva a magimpulzusokat spektrálisan szélesítjük és egyúttal időbeli kontrasztjukat tovább növeljük, majd egy csörpölt tükröket tartalmazó kompresszorral 10 fs időbeli hossz alá nyomjuk őket össze.


A HF-2PW kar teljesen a Ti:zafír technológián alapul, amellyel az erősítés során fellépő spektrális beszűkülés mellett is 20 fs időbeli hossznál rövidebb impulzusokat kaphatunk. Az erősített spektrum megfelelő szélességének biztosításához további spektrális szűrést alkalmazunk az erősítő fokozatokban. A végső erősítőt két P50 típusú pumpalézer hajtja meg (50 J, 532 nm, 10 Hz), így a vákuumban található kompresszor után 34 J energiájú, 17 fs hosszúságú impulzusokat állítunk elő.

 

3.táblázat

Paraméterek

HF-2PW kar

HF-100 frontend

Elérhető

2020 végétől

2019 áprilistól

Csúcsteljesítmény

2 PW

0.1 TW

Impulzushossz

<17 fs

<10 fs

Központi hullámhossz

800 nm

800 nm

Ismétlési frekvencia

10 Hz

100 Hz

CEP stabilitás

NA

<250 mrad

Energiastabilitás

<1.5%

<1.5%

ASE kontraszt

> 10 11

> 10 11

Strehl-arány

>0.85

>0.85

 

MIR lézer - Közép-infravörös lézer

A MIR lézer jelentősen különbözik az ELI-ALPS többi elsődleges forrásától, mivel az elektromágneses spektrum közép-infravörös (2.5-5 µm) tartományában működik.

A lézer 3,2 µm-es központi hullámhosszon biztosít 140 µJ-os, 4 optikai ciklus hosszúságú impulzusokat  100 kHz ismétlési frekvenciával, < 1% RMS stabilitás mellett, napi 8+ órában, üzemszerű működéssel 2017 Novembere óta. A rendszer egyedülálló <100 mrad CEP stabilitással és kontrollal rendelkezik.

4. ábra: A MIR lézer sematikus ábrája

Az optikai parametrikus csörpölt impulzuserősítő (OPCPA) sorozatot egy nagyteljesítményű, Itterbium (Yb) vékony diszk típusú pumpalézer pumpálja. A 200W-os pumpalézer magas minőségű 2 mJ-os, 1 ps-os impulzusokkal hajtja meg az OPCPA egységeket. A pumpaenergia töredékével létrehozott ultra-szélessávú continuum, a spektrális formázást követően (Dazzler) a pumpával kombináljuk egy különbségi frekvencia keltő (DFG) egységben.

Az így keltett, passzívan CEP-stabilizált 3,2 µm-es szélessávú sugárzás a további kollineáris és nem kollineáris OPA egységekben a kívánt szintre erősödik. Végül, tömbi anyagban bekövetkező impulzuskompresszió biztosít kitűnő minőségű és stabilitású, néhány optikai ciklus hosszúságú, CEP-kontrollált közép-infravörös impulzusokat, 14 W átlagteljesítmény mellett.

 

Jelenleg folyamatban lévő fejlesztések célja az impulzusidő csökkentése az egyciklusú tartományba posztkompresszióval, valamint párhuzamosan az impulzusenergia növelése pumpa-recirkulációval.

 

 

4. táblázat - A közép-infravörös lézer működési paraméterei

Paraméterek

MIR 

kMIR

Elérhető

2017 November óta

2024-2025-től

Központi hullámhossz λc

3200 nm

 4000 nm

Ismétlési frekvencia

100 kHz

 1kHz

Átlagteljesítmény

>14W

>20W

Impulzusenergia

>0.14 mJ

>20 mJ 

Impulzushossz (@ λc)

<42 fs (<4 cycles)

 <40 fs (<3 cycles)

Kimeneti energiastabilitás

<0.8% (ms)

<1.0%

Strehl-arány

>0.8

 >0.5

Vívő-burkoló fázis stabilitása

<100 mrad (rms)

 <100 mrad (rms)

Nyaláb iránystabilitás

<5% (diffr. limited div.)

 <10% (diffr. limited div.)

 

[1] N. Thiré, R. Maksimenka, B. Kiss, C. Ferchaud, T. Pinoteau, H. Jousselin, S. Jarosch, P. Bizouard, V. Di Pietro, E. Cormier, K. Osvay, and N. Forget, “Highly-stable, 15 W, few-cycle, 65 mrad CEP-noise mid-IR OPCPA for statistical physics”, Opt. Express, 26, 21 26907 (2018)

 

 

december

14

péntek