Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

A sokfotonos folyamatoktól --- az ATTOSZEKUNDUMOS impulzusokig Farkas Győző MTA - WIGNER FK A fő tevékenység: a nagy intenzitású lézerimpulzusok kölcsönhatásai.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "A sokfotonos folyamatoktól --- az ATTOSZEKUNDUMOS impulzusokig Farkas Győző MTA - WIGNER FK A fő tevékenység: a nagy intenzitású lézerimpulzusok kölcsönhatásai."— Előadás másolata:

1 A sokfotonos folyamatoktól --- az ATTOSZEKUNDUMOS impulzusokig Farkas Győző MTA - WIGNER FK A fő tevékenység: a nagy intenzitású lézerimpulzusok kölcsönhatásai az anyag elektronjaival Leírás: Kvantum-elektrodinamika (QED) Cél:1. A QED előrejelzéseinek igazolása 2. Felhasználások a gyakorlatban Kutatási tevékenységünk érdekes alkalmazását ismertetjük MTA – WIGNER FK

2 KIINDULÁSI ALAPOK : KFKI JÁNOSSY – FOTON KISÉRLETEK 1956 KÖRÜL A FÖLDALATTI AKNÁBAN CÉL : A FÉNY KETTŐS TERMÉSZETÉNEK VIZSGÁLATA KIS ( ~1 foton ) FÉNYINTENZITÁSOKNÁL HEISENBERG ELJÖTT KÍVÁNCSISÁGBÓL : A FIZIKA ALAPKÉRDÉSE EMLÉKEK: A KORABELI KUTATÁSI GONDOLKODÁS, LÉGKÖR, LABOROK, KUTATÓK SZELLEMÉNEK FELVILLANTÁSA : DVD

3 Lézerimpulzusok jellemzőinek alakulása az évek során KILOWATT MEGAWATT GIGAWATT TERAWATT PETAWATT EXAWATT millisec mikrosec attosec femtosec pikosec nanosec teljesítményimpulzus idő MTA – WIGNER FK

4 Fő jellegzetességek nagy lézerintenzitásokon LÉZER – ATOM LÉZER – FÉM LÉZER – ELEKTRON ERŐS LÉZER IMPULZUS FÉM (arany) FÉNY EMISSZIÓ ELEKTRON EMISSZIÓ NAGY ENERGIÁJÚ GERJESZTETT ELEKTRON ERŐS LÉZER IMPULZUS “SZABAD” ELEKTRON ATOM FÉNY EMISSZIÓ ELEKTRON EMISSZIÓ ERŐS LÉZER IMPULZUS MTA – WIGNER FK FÉNY EMISSZIÓ

5 Egyfotonos elektronemisszió Németh László : “Fényvillanyossági tünemény” Kisérlet : Hertz, Hallwachs, Lénárd Fülöp Elmélet : Einstein Emlékeztető: az Einsteini egyfotonos fotoeffektus jellemzői: fény A – kilépési munka Kinetikus energia Foton ħ  Egyfotonos Einstein egyenlet: ħ  = A + ½mv 2 j  I (fotoáram  fényintenzitás)

6 LÉZER-TÚL NAGY ”PERTURBÁCIO” – KELDYSH – PARAMÉTER :

7 Sokfotonos elektronemisszió A lézeres sokfotonos fotoeffektus jellemzői ( ħ  L << A ): Volkov szintek Kis intenzitás (perturbatív) Alapállapot A Sokfotonos emisszió j  I n Elektron áram (log j) Lézer intenzitás (log I) Sokfotonos Alagút j  I n j  e -/E Sokfotonos Einstein egyenlet: n ħ  = A + ½mv 2 Elektron energia (keV-ig) Elektronok száma ħħ Alagút emisszion Nagy intenzitás (nem perturbatív) j  e -/E

8 Kölcsönhatás „szabad” elektronokkal Sokfotonos elektronszórás lézertérben: Potenciál Elektron LÉZER BremsstrahlungInverz Bremsstrahlung Elektron energiaspektrum ħħ ħħ E0E0 E = E 0 ± n ħ  MTA – SZFKI

9 FOTOEFFEKTUS BERENDEZÉS

10 AZ ELŐSZÖR HASZNÁLT LÉZERIMPULZUS  t 30 nanosec

11 Mode-Locking A megengedett modusok összecsatolása

12 KFKI KISÉRLETI EREDMÉNYEK KFKI LÉZERVONULATOK

13 Keszthelyi L. : gyors biológiai folyamat

14 LÉZER-TÚL NAGY ”PERTURBÁCIO” – KELDYSH – PARAMÉTER :

15 A többfotonos fotoeffektus és tunnel emisszió első kimutatása a KFKI-ban Jellegzetes mérési eredmények FÉMEK Au Ag ATOMOK Xe Kr

16 Mindezek első igazolása a KFKI-ban A többfotonos fotoeffektus első kimutatása fémeken Az optikai tunnelemisszió első kimutatása fémeken és atomokon Extrém nagy energiájú (keV) elektronok. Extrém rövid elektron impulzusok (időtartam < sec (pikosec). Extrém széles spektrum ħ  -val ismétlődő vonalakból. Extrém erős fotoáram-impulzusok (kiloamper/cm 2 ). Alkalmazások:Elektron-injektoros lézerkatódok - nagy elektrongyorsítókban (Los Alamos) - szabadelektron lézerek katódja - Rövid: < sec elektron csomagok, stb. MTA – SZFKI Jelen alkalommal - mint példán - felvillantjuk, hogyan lehet ezen eredményeket egy adott feladat: attoszekundumos fényimpulzus megvalósítására és vizsgálatára felhasználni.

17 MTA – SZFKI Sokfotonos fényemisszió: Magasrendű harmonikusok keltése Első jelzés: Neugebauer, 1950 LÉZER IMPULZUSATOM /FÉM Kis intenzitások: perturbációs közelítés (Neugebauer T.) Nagy intenzitások: alagút jelenség („nagy dipólus”) Magasrendű Harmonikus nyalábok Fémek: L, 2 L,..., ~1000 L (Röntgenig) Atomok: L, 3 L,..., ~1000 L (Röntgenig) (páratlan: inverziós szimmetria) Az elektron az alagúton kilépve 3 rezgési energiát vesz fel a lézertérből. 1 e 2 E L 2 4 m  2 A maximális harmonikus energia: 1 e 2 E L 2 4 m  2 ħ  max = A + 3 Atomi Potenciálgödör A x LÉZER

18 EMLÉKEZTETŐ: A Heisenberg-összefüggés: ΔE  Δt  ħ Hullámtani formája: Δω    1 Rövid t impulzushosszat nagy Δω sávszélességgel nyerünk:  ~ 1 / Δω  t Δω ω Hullámcsomag (fényimpulzus)

19 frekvencia Intenzitás kk plateau 2L2L ~1000  L küszöb A kibocsájtott harmonikusok frekvencia-spektruma: - Szokatlanul széles  ~1000  L - A komponenseket a lézertér fázisban kötve rezgeti - Összelebegés várható A periodikus frekvenciaspektrumból a Fourier-eljárás szerint időben  L /2 szerint periodikus impulzusok sorozata következik, melyek időbeli hossza  ~ 1/ . Időbeli alakjuk: MTA – SZFKI E spektrum az attoszekundumos impulzusok alapja ATTOSZEKUNDUMOS IMPULZUSOK KELETKEZÉSE (BUDAPEST KFKI)

20 Attosec ~ Az intenzitás: 1 µm 2 -re fókuszálva: W/cm 2 (Petawatt/cm 2 ) Követési távolságuk: T L /2 = fél lézer periódus. Félszélességük :  = 1/(2 N ω L ); N=10-nél:   30· sec = 30 attosec. ATTOSECUNDUM Első megfogalmazás a KFKI - ban

21 MTA – SZFKI Extrém rövid időtartam: elektron atommag 1 attosec (=1/140 Bohr-körülforgási idő) Térben: d  c  = 3·10 10 cm/s · 10 –18 s = 3·10 -8 cm = 0.3 nanométer Új kísérleti eszköz az atom belső dinamikájának attoszekundumos időbeli, ill. nanométeres térbeli skálán történő felbontásához. Az Attofizika találkozik a Nanofizikával !!! Az attoszekundumos tartam szemléltetése

22 Az attoszekundumos impulzusvonulatok kimutatása (KRÉTA) MTA – SZFKI Eredmény He atomok Lézer + harmonikusok Késleltető féltükör Lézerszűrő Attosec vonulat Másodrendű autokorreláció He + ionok Ionáram  I 2 HARM Attoszekundumos sorozat

23 Az attoszekundumos impulzusvonulatok kimutatása (PÁRIZS) oldalsáv ERŐS LÉZER GYENGE LÉZER Elektron energiák HARMONIKUS ATOMOK HARMONIKUSOK A lézer fázisát késleltetve az oldalsávok oszcillálnak kétszeres lézerperiódussal. késleltetés [fs] oldalsáv relatív intenzitása 1. A harmonikusok közötti fázisok stabilak, mérhető. 2. A harmonikusok amplitúdói mérhetők. 3. Így megszerkeszthető a négy harmonikus szintézisének időbeli képe. MTA – SZFKI ħLħL

24 Egyes attoszekundumos impulzusok előállítása (Bécs) MTA – SZFKI Vonulat helyett egyetlen attosec impulzos lenne jobb. attosec Megoldás (részleges): csúcs Hosszú lézerimpulzusnál már a csúcsintenzitás elérése előtt ionizálódnak („elfogynak”) az atomok: a lézer nem fejtheti ki csúcsteljesítményét. Ezért: rövid gerjesztő (ionizáló) lézerimpulzus-vonulat kell: A gyenge előimpulzusok nem tudnak ionizálni, az összes atomot a csúcsban lévő igen erős néhány impulzus ionizálja erősen nemlineárisan. A x 1 e 2 E L 2 4 m  2 ħ  max = A + 3 HARMONIKUSOK Gerjesztő lézer

25 MTA – SZFKI A harmonikus spektrum burkolója: felharmonikus rend Idő [as] Elektromos tér (rel.egys.) Intenzitás (rel.egys.) diszkrét folytonos  f Egyetlen (többszáz attosec) impulzus. Tükörrel kivágható folytonos  f sávszélesség  f = 1/100  teljes  f ~ 100  T ~ 100·10 –18 ~ = 100 Attosec Rövid gerjesztő lézerimpulzussal egyetlen t ~ 100 Attosec időtartamú impulzus állítható elő. 100 Attosec

26 Egyetlen attosec-impulzus mérése Fotoeffektus: Attosec + lézer (késleltetve) A attosec lézer tt Elektron energia: W e [eV] késleltetés [fs]  meghatározása: 1. Mérhető a csíkok láthatósága. Elméleti „  ” illesztés. (Keresztkorreláció) Csak az attosec által keltett Mindkét nyaláb által keltett A lézer hatása W e  W 0 + sin 2 (  L  t ) e 2 E 2 L (  t) 4m  L 2 Intenzitás (rel.egys.) Idő [fs]   = 530 Attosec lézer

27 Alkalmazási példa az Attosec-impulzusra Az Auger-bomlás dinamikája (az atomtörzs elektronjainak relaxációs ideje) Az attosec impulzus keltette elektronok ill. a lézerimpulzus korrelációja megadja az Auger elektron emissziójának időbeli alakulását. Az energia sávszélesség nem adja meg az időbeli dinamikát Eredmény Késleltetés [fs] Spektrális kiszélesedés [eV] Oldalsáv intenzitás (rel.egys) Röntgen intenzitás (rel.egys) Kripton atom fény

28 LASERIMPULZUS „ABSZOLÚT FÁZISA” Időkülönbség a burkoló és a rezgő tér maximuma között

29 AZ ABSZOLÚT FÁZIS VÁLTOZÁSA Fázisváltozások a laserimpulzusok sorozata folyamán

30 OPTIKAI KAPU harmonikus keltéshez

31 EGYETLEN, 130 ATTOSZEKUNDUMOS IDŐTARTAMÚ IMPULZUS

32 (Milano) ATTOSZEKUNDUMOS EGYETLEN IMPULZUS- EGYETLEN OPTIKAI CIKLUS Elektromos tér

33

34 az elektron kilépési valószinűsége laserindukált tunnelemisszióval A TUNNELEZÉSI IDŐ MÉRÉSÉNEK ELVE KETTŐS RÉS: IDŐBEN ÉS TÉRBEN IDŐBELITÉRBELI laser detektor

35 TUNNELEZÉSI IDŐ : KISÉRLETI EREDMÉMY

36 A TUNNELEZÉSI IDŐ MÉRÉSÉNEK ELVE W W1W1 W2W2 MÜNCHEN

37 az elektron kilépési valószinűsége laserindukált tunnelemisszióval A TUNNELEZÉSI IDŐ MÉRÉSÉNEK ELVE

38 TUNNELEZÉSI IDŐ : KISÉRLETI EREDMÉMY

39 AUGER-DINAMIKA : KISÉRLETI EREDMÉNY

40 Elektron energia (keV-ig) Elektronok száma ħħ Attoszekundumos ELEKTRONIMPULZUSOK (BUDAPEST) A laserrel keltett fotoelektronok vonalas spektuma : E n = n ħω Az elektronokat de Broglie – féle ψ – hullámokkal írjuk le Az E n = nħω – hoz tartozó hullám : ψ n  exp (E n t - p n x)   exp i / ħ [ (E 0 + nħω) t - 1/c ( (E 0 + nħω) 2 – E 0 2 ) 1/2 x ] Ezek “  n ψ n Fourier – szintézisét “ elvégeztük: Elméleti eredményünk: Attoszekundumos Elektronimpulzus – vonulatot kapunk, mely felváltva kollapszust és újraéledést mutat

41 Vízszintes tengely : idő, T laserrezgés-idő egységekben ATTOSZEKUNDUMOS ELEKTRONIMPULZUSOK ALAKULÁSA: váltakozó “újraéledések” és “kollapszusok”

42 TOVÁBBLÉPŐ JELEN TEVÉKENYSÉGÜNK MAGYAR LEHETŐSÉGEK AZ EXTRÉM INTENZITÁSOKNÁL A NEM PERTURBATIV TARTOMÁNYOKBAN: A KFKI LÉZEREK INTENZITÁSÁNAK NÖVELÉSE AZ EXTRÉM W/CM 2 ÉRÉKEKRE : FELÜLETI PLAZMON ERŐSITÉSSEL : Gyakorlatban E/D ~ 100, Igy ~ W / cm 2 érhető el Erősitett ”EVANESZCENS” fénytér

43 VALÓS KISÉRLET PLAZMON ERŐSITETT LÉZERTÉRREL

44 Összefoglaló előretekintés MTA – SZFKI A nagyintenzitású lézerfizika jelenleg több nagy irányba halad: 1, A fizikai vákuum “feltörése” (Schwinger-tér ~10 15 V/cm – W/cm 2 ) 2, Lézeres fúzió 3, Lézeres elektrongyorsítás 4, Attofizika:- atomi szerkezet dinamikája - anyagtudomány - nanofizika - kémiai folyamatok - biológiai szerkezetek, stb. Örvendetesnek tartjuk, hogy az Attofizika irány magyar felismerésből kiindulva jutott el mai fejlődéséhez.


Letölteni ppt "A sokfotonos folyamatoktól --- az ATTOSZEKUNDUMOS impulzusokig Farkas Győző MTA - WIGNER FK A fő tevékenység: a nagy intenzitású lézerimpulzusok kölcsönhatásai."

Hasonló előadás


Google Hirdetések