Attoszekundumos impulzuskeltés makroszkopikus optimalizációja Major Balázs1,2, Kőrös Pál Csaba1, Valer Tosa2,3, Varjú Katalin1,2 1 Optikai és Kvantumelektronikai Tanszék, Szegedi Tudományegyetem 2 ELI-HU Non-profit Kft. 3 Nat Inst for R& D of Isotopic and Molecular Techn, Kolozsvár Magyar Fizikus Vándorgyűlés 2016 – Szeged

Gáz magas harmonikus keltés GHHG Gáz magas harmonikus keltés Ferray: J. Phys. B, 21, L31 (1988) 10-5…-7 attoszekundumos XUV impulzusok Nagy, de nem „túl nagy” intenzitás (1014 W/cm2 – 1015 W/cm2) a közeg kimerülése a lézer impulzus torzulása fázisillesztés

Gáz magas harmonikus keltés GHHG Gáz magas harmonikus keltés Elemi folyamat: Makroszkópikus szempontok Cél: a növekvő lézer teljesítmény OKOS felhasználása Ekin Ekin+Ip Schafer: PRL, 70, 1599 (1993) Corkum: PRL, 71, 1994 (1993) pl. kölcsönhatási térfogat növelése

Kísérleti munka ELI ALPS PW lézer

E. Priori et al., Phys. Rev. A 61, 063801 (2000) „Numerikus kísérlet” nem-adiabatikus 3D HHG modell 1. Lézer impulzus terjedése gáz közegben mozgó vonatkoztatási rendszer, paraxiális közelítés, henger szimmetrikus eset, véges különbség módszer semleges Kerr-tag plazma-diszeprzió 2. Lézer-atom kölcsönhatás, erős tér közelítésben (SFA) Lewenstein et al., PRA 49, 2117 (1994) 3. Elemi harmonikus komponensek szuperpozíciója, terjedése E. Priori et al., Phys. Rev. A 61, 063801 (2000) V. Tosa et al., Phys. Rev. A 71, 063807 (2005)

A modell kísérleti igazolása Kísérlet: Lund 10 Hz-es labor (35 fs, 67 mJ, 800 nm, 30-mm átmérő; fókuszálás: 8,7 m, céltárgy: 6 cm, Ar gáz a fókusz előtt 55 cm-rel). Optimalizálás: a nyaláb apertúrázásával Harmonikus spektrum Harmonikus jel erőssége

nemlineáris optikai folyamatokra Skálázási törvények nemlineáris optikai folyamatokra Változatlan elrendezésben a lézer energiájának növelése a makroszkopikus hatások miatt nem jár a harmonikus jel növekedésével. Egy optimalizált (fázisillesztett) elrendezés felskálázható, és a résztvevő atomok számának növelése miatt felskálázott harmonikus jelet eredményez. Ein 2Ein 2Eout Eout Heyl, et al., Optica 3, 75 (2016)

nemlineáris optikai folyamatokra Skálázási törvények nemlineáris optikai folyamatokra Heyl, et al., Optica 3, 75 (2016) The above illustration is for a fixed beam diameter! This is why f is scaled with eta and eta squared! f/D Gauss nyaláb:

Skálázási törvények igazolása impulzus kompresszió filamentben HHG =10 fs, in=62.5 J, p=256 mbar, W0=10.6

P. Rudawski et al., Rev. Sci. Instr. 84, 073103 (2013) Hosszú fókuszálás Alacsony ionizáció Elhanyagoljuk a lézer impulzus torzulását fázisillesztés hangolása: f, p, ionizációs ráta semleges atomok diszperziója plazma diszperzió Gouy fázisugrás atomi fázis ∆ 𝑘 𝑛𝑞 =𝑞 𝜔 1 ∙ 𝑛 𝑞 −1 /𝑐 ∆ 𝑘 𝑛1 =𝑞 𝜔 1 ∙ 𝑛 1 −1 /𝑐 ∆ 𝑘 𝑝 =𝑞 𝜔 1 ∙ 𝑛 𝑝 −1 /𝑐 ∆ 𝑘 𝐺 =𝑞∙𝛻 𝜑 𝐺 ELI, SYLOS lézer:  90 m ∆ 𝑘 𝑎 =−𝛼 𝛻𝐼 P. Rudawski et al., Rev. Sci. Instr. 84, 073103 (2013)

Hosszú fókuszálás Multi-parameter scan 1920 eset E = 2, 4, 20, 40, (200) mJ cella pozíció = -3, -4.5, -6, -7.5 m p [mbar] = 0.0025, 0.0125, 0.025, 0.125, 0.25, 1.25 1920 eset fókusztávolság= 55 m D= 30, 45, 60, 75 mm Cella hossza = 1.2, 2.4, 3.6, 4.8, 6 m

Optimális elrendezés E = 40mJ, p= 1.25mbar, cella pozíció =-3.0m r = 45mm geom fókusz 1,2 m 2,4 m 3,6 m 4,8 m 6 m

Keltési geometriák összehasonlítása ELI, SYLOS lézer, GHHG Két eset, azonos bemenő nyalábprofillal A. Hosszú fókuszálás f = 40 m L = 32 cm p = 0.2 Torr z = 0 cm ELI-ALPS beamline B. Fókuszon kívüli target f = 16 m L = 5 cm p = 5 Torr z = -16.7 cm ELI-ALPS beamline + Apertúrázás

Keltési geometriák összehasonlítása a gázbeli terjedés hatása „Alacsony” intenzitás „Magas” intenzitás hosszú fókusz hosszú fókusz fókusz előtti target fókusz előtti target

Nagy intenzitású / ionizációjú eset „Working intensity” Egy küszöb intenzitás felett a közeg leszabályozza az intenzitást (nyaláb-vezetés) Ar, 27 fs Ne, 5 fs laser prop. laser prop. Ar, 27 fs Ar, 27 fs *Shiner et al., J. Mod. Opt. 60, 1458 (2013)

„Working intensity” hatékony harmonikus tér felépülés Lézer tér Harmonikus tér laser prop. laser prop.

„Compact” rendszer Multiparameter scan 351 eset Pozíció = 0, 10, 25, 35, 50, 60, 75, 85, 100, 125, 150, 200, 300 mm Apertúra átmérő = 20, 30, 40, 50, 60, 80, 120, 180, 300 mm l = 865 nm, t = 10 fs, IFWHM = 60 mm, 40 mJ fókusztávolság: 10 m Gáznyomás [bar]: 0.5, 1.0, 2.0 közeg hossza (jet): 0.5 mm 351 eset

Optimális elrendezés p = 1.0 bar, cella pozíció= -85 mm, apertúra = 120 mm

GHHG nyalábvonalak SY LOS HF PW GHHG SYLOS dev. GHHG SYLOS user GHHG HR dev. HR GHHG HR user

Alternatív „okos” megoldás Két-színű magas harmonikus keltés NIR photon energy (eV) time delay (fs) Two-color MIR B. Schütte, et al. Opt. Expr. 23, 33947 (2015)

Köszönöm a figyelmüket!