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)

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 lézerrendszer jelenleg az első megvalósítási fázisának végén 1 kHz-es ismétlési frekvencián állít elő 10 fs-nál rövidebb impulzusokat 4.5 TW-os csúcsteljesítménnyel. 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 20 TW-os csúcsteljesítménnyel szállít majd két 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 10 fs-nál rövidebb 880 nm-es központi hullámhosszú impulzusokat állít elő. 

2. ábra: A SYLOS 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 600 nm és 1000 nm közötti tartományt, 880 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 10 fs-nál rövidebb 45 mJ-os energiájú impulzusokat az 1 kHz-es ismétlési frekvencián.

Paraméterek

SYLOS 1

SYLOS 2 (tervezett)

Csúcsteljesítmény

> 4.5 TW

20 TW

Impulzushossz

< 4 optikai ciklus (< 10 fs)

< 2 optikai ciklus (< 5 fs)

Központi hullámhossz

880 nm (változtatható)

900 – 1000 nm (változtatható)

Ismétlési frekvencia

1 kHz

1 kHz

Vívő-burkoló fázis stabilitása

< 250 mrad

< 200 mrad

Energiastabilitás

< 1.5 %

< 1.5 %

Időbeli kontraszt

> 1010

> 1010

Strehl-szám

> 0.85

> 0.85

Pikoszekundumos pumpalézer impulzushossza

90 ps

< 90 ps

2. táblázat

HF - Nagyintenzitású lézer

A nagyintenzitású lézer (HF: high field) egy közös magimpulzust előállító egységen alapuló, két ágból álló rendszer. A fő ág, amely PW-os csúcsteljesítményű lézerimpulzusok előállítására képes, 20 fs-nál rövidebb, 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 ábrája

A HF rendszer közös magimpulzus előállító rendszere, az ún. „front end” egy lézeroszcillátorból és az azt követő két külön előerősítővonalból áll, amivel optimálisan állíthatók elő a két ág eltérő impulzusparaméterei. A frontendben a jelenlegi legmodernebb lézer technológiákat - Ti:zafír erősítés, optikai szállézerek, nemlineáris optika és az OPCPA erősítési séma - alkalmazza. A lézeroszcillátor egy szub-pikoszekundumos optikai szál alapú pumpalézer, amely 2 mJ energiájú impulzusokat generál 1030 nm hullámhosszon. Az impulzusok 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, 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 rendszerbe menő nyalábot még további erősítéssel 2 mJ körüli értékre növeljük, majd keresztpolarizációs hullámkeltést alkalmazva a magimpulzusokat spektrálisan szélesítjük és egyúttal időbeli kontrasztjukat tovább növeljük.

A HF-PW karban megvalósított főerősítés a Ti:zafír technológián alapul, amellyel az erősítés során fellépő spektrális beszűkülés mellett is 20 fs időbeli hossznál rövidebb impulzusokat kaphatunk. Az erősített spektrum szélességének biztosításához további spektrális szűrést alkalmazunk az erősítő fokozatokban. A végső erősítőt két P60 típusú pumpalézer hajtja meg (60 J, 532 nm, 10 Hz), így a kompresszor után 34 J energiájú, 17 fs hosszúságú impulzusok állnak elő.

A HF-100 kart az ELI-ALPS saját eredményeire is támaszkodva saját fejlesztésében tervezi meg 2018 végére, megvalósítása 2019/20-ban várható. A saját kutatás-fejlesztési tevékenységünk legfontosabb idevágó elemei a polarizáció-kódolt CPA erősítés, valamint a Ti:zafír alapú korongerősítő technológia.

3.táblázat

Paraméterek

HF-PW kar

HF-100 kar (tervezett)

Csúcsteljesítmény

2 PW

50 TW

Impulzushossz

<17 fs

<10 fs

Központi hullámhossz

800 nm

800-850 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 – Közép-infravörös (lágy)lézer

A MIR lézer jelentősen különbözik az ELI-ALPS többi lézerforrásától, mivel az elektromágneses spektrum egy másik tartományában működik, így egyedülálló technológiát képvisel. 15 W átlagteljesítményét 100 kHz-es ismétlési frekvencián és 3,1 µm-es központi hullámhosszon adja le, 4 optikai ciklusnál rövidebb időtartamú impulzusok formájában. Ez a lézer a 2,4-3,9 µm tartományban folytonosan hangolható, az impulzusok rendkívüli CEP stabilitása mellett. Mivel szinkronizálható a létesítmény többi elsődleges forrásával, ideális koincidencia kísérletek elvégzésére.

4. ábra: A MIR lézer sematikus ábrája

A MIR rendszer szíve egy OPCPA erősítőlánc, melyet egy 100 kHz-es ismétlési frekvencián működő nagyteljesítményű, kereskedelemben kapható itterbium (Yb) alapú vékony korong pumpalézer pumpál.

A regeneratív 200 W-os pumpalézer kiemelkedő minőségű 2 mJ-os, 1 ps-os impulzusokkal látja el az OPCPA egységeket. A pumpaenergia töredékével létrehozott ultra-szélessávú kontinuumot kombináljuk a pumpával egy különbségifrekvencia-keltő (DFG) egységben. A keletkező közép-infravörös tartományba eső 3,1 µm nyaláb az ezt követő OPA egységekben a kívánt szintre erősödik. Végül tömbi anyagban létrejött kompresszió biztosít kitűnő minőségű és stabilitású, néhány optikai ciklus hosszúságú impulzusokat [N].

A parametrikus erősítés folyamán (háromhullám-keverés), szükségszerűen jelen van egy harmadik, nem CEP-stabil nyaláb, mely az 1,4- 1,75 µm tartományba esik. E kimenet teljesítménye összemérhető a közép-infravörösével és 150 fs alá kompresszálható, így ez a nyaláb a pumpa-próba kísérletekben lesz hasznos.

 

október

21

vasárnap