Rövid lézerimpulzusok aktív (nemlineáris) idő- és térszűrése Szatmári Sándor SzTE Kísérleti Fizikai Tanszék Rövid lézerimpulzusok aktív (nemlineáris) idő- és térszűrése Szeged, 2011. augusztus 26.

Nagy Intenzitású Lézer Laboratórium High Intensity Laser Laboratory (HILL) Excimer lézerrel pumpált rövid impulzusú lézerrendszerek kutatása, fejlesztése 80 mJ, 600 fs (100 fs) 248 nm-en Nagy intenzitású lézer-anyag kölcsönhatások vizsgálata VUV és XUV keltése 100 mJ, < 500 fs 83 nm-en

Munkatársak Dr. Földes István tudományos tanácsadó Dr. Bohus János egyetemi adjunktus Dajka Rita tudományos segédmunkatárs Barna Angéla PhD hallgató 13 tagú mechanikai és elektromos műhely

Lézerek teljesítményének növekedése S. Nakai ábrája 4 4

Lézerek intenzitásának fejlődése Short-pulse excimers

A tér- és időbeli kontraszt fontossága Az irány szerinti tulajdonságok (a nyaláb homogenitás) megszabják a fókuszálhatóságot. Az időbeli (vagy intenzitás) kontrasztnak olyannak kell lenni, hogy a zaj ne lépjen kölcsönhatásba a targettel. Ennek a határa 107-1010 W/cm2. A hasznos jel megcélzott intenzitása 1025 W/cm2 A megkívánt intenzitás kontraszt 1015-1018 !

Einstein (1917) indukált emisszió bekövetkezési valószínűség ~ B12 N1 w A21 N2 B21 N2w

Gyakorlati lézer elrendezések A konvencionális elrendezésekben a fény többszöri körbejárása szükséges a rendezett fény keletkezéséhez. Rövid hullámhosszakon az energia jó tér és időbeli koncentrálására alkalmas lézerek más felépítésűek.

A telítés fogalma, telítődő abszorpció n0 + n1 = n n1 n0 stac. eset: telítési intenzitás:

(klasszikus eset) ha I << IT ha I ≈ IT ha I →∞

Rövid impulzusok erősítése abszorpció esetén Frantz-Nodvik formula a ≠ 0 „helyi” hatásfok:

a = 0 g/a = 15

Optikai erősítők főbb paraméterei az energiasűrűség függvényében

Optikai erősítők a jó hatásfoknak megfelelő tartományban a hasznos jelet kevésbé erősítik, mint a zajt. Ezt elvileg kompenzálni lehet telítődő abszorberekkel, melyek telítés esetén nagyobb transzmissziót eredményeznek a hasznos jelre. A zaj összetétele: ASE CPA-ból származó jel

Fázismodulált impulzuserősítés Chirped Pulse Amplification (CPA) rövid impulzus Nyújtó megnyúlt impulzus nagy energiájú, megnyúlt impulzus Erősítő nagy energiájú, rövid impulzus Kompresszor

A „kétszínű” lézerrendszerek előnyei a rövid impulzus keltése erősítése optimális helyen végezhető Erősítés egy része hosszú hullámhosszon zajszűrés (ASE) aktív térszűrés spektrális szűrés

A nyaláb térbeli tulajdonságainak változása nemlineáris frekvencia-konverzió esetén. klasszikus eset: „ideális” eset:

Important figure of merits of high intensity laser systems: spatial and temporal quality of the pulses.

a) Spatial filtering

Fourier transform of a flat-topped and a noisy intensity distribution

Output distribution by removing the different, higher orders

Active spatial filtering: Nonlinear transmission instead of the aperture

Saturable absorber SHG as an order selector

Kísérleti eredmények

„Kétszínű” lézerek: a „színváltásnál” mind az idő, mind a térszűrés megvalósítható (ezzel a spektrális tulajdonságok és a nyalábhomogenitás is kontrollálható) „Egyszínű” lézerek: ?

b) Temporal filtering: The use of plasma mirrors KrF lasers have a good focusability and high available contrast. Plasma mirrors are the most efficient cleaning tools in the generation of femtosecond laser pulses of ultrahigh contrast . Idea: Only the leading edge of the ultrashort pulse is above plasma threshold, i.e. prepulses and pedestals are transmitted by a transparent target, the short pulse is reflected and „cleaned”. Plasma mirrors provided several orders of magnitude improvement of the contrast for Ti-sapphire allowing surface harmonics generation up to several keV (Dromey et al.). The ultrashort KrF laser of the HILL laboratory is based on direct amplification. Only ASE prepulse is present – partially suppressed by off-axis amplification. But: Surface photoionization by the 5eV KrF photons must be avoided, Prepulse intensity < 107 W/cm2 needed.

Plasma Mirror for Short-Pulse KrF Lasers First succesful demonstration of the plasma mirror effect for KrF laser. After a logarithmic increase saturation of the reflectivity (>40%) is reached at ~1014W/cm2 intensity, for 12.4°angle of incidence. For shorter pulses a reflectivity in excess of ~50% can probably be obtained.

Comparison with Ti-sapphire Plasma Mirror Origin of the „noise” at the output: Ti:Sapphire CPA scheme, ASE KrF ASE (109-1010 contrast) The plasma mirror effect is considered as an effective way of improving the contrast. Disadvantages: loss in energy (power) limited improvement in the contrast (governed by the ratio of the plasma reflectivity and of the reflectivity of the sample) (typically one order of magnitude improvement for one mirror) KrF Ti:Sa Ziener et al, J. Appl. Phys. 93, 768 (2003)

New Idea: Combination of the Plasma Mirror with a „conjugate” Spatial Filter In this new arrangement the plasma mirror is positioned in the Fourier-plane of a focussing mirror put into the input beam. The use of an annular input beam and an output aperture - allowing transmission only in the „central hole” of the annular beam - gives no transmission as long as the reflectivity is the same for the different diffraction orders. If the reflectivity (either the amplitude or the phase) is different for the more intense central lobe of the diffraction pattern, the central hole of the aperture becomes illuminated. Extremely high contrast!

Intensity distribution at the Fourier-plane for an annular input beam

With no modulation at the Fourier-plane Output distribution: With no modulation at the Fourier-plane Output Fourier-plane

With amplitude modulation at the Fourier-plane: Output distribution With amplitude modulation at the Fourier-plane: the 0th order is enhanced (plasma mirror effect) by a factor of 5 Output Output Fourier-plane

With amplitude modulation at the Fourier-plane: Output distribution With amplitude modulation at the Fourier-plane: the 0th order is enhanced (plasma mirror effect) by a factor of 25 Output Fourier-plane

New approach: phase modulation! Output distribution With phase modulation at the Fourier-plane: the 0th. order is shifted by l/2 (in the self generated plasma) Output Fourier-plane

Output distribution with noisy input d) With phase modulation at the Fourier-plane: the 0th. order is shifted by l/2 (in the self generated plasma) Input Output

Experimental realization of the nonlinear plasma filter

Experimental results (2010. május 19.) With gas in the focus (plasma generation) Without gas in the focus

Conclusion Main features of the nonlinear plasma filter: high temporal contrast referred to the noise, sharpening of the leading edge, beam smoothing (spatial filtering), self-adjusting (no need for precise alignement), very high overall transmission generally applicable.

Köszönöm a figyelmet! (és az érdeklődést!)