Stabil vivő-burkoló fázisú attoszekundumos impulzusok generálása Tibai Zoltán1, Tóth György1, Nagy-Csiha Zsuzsanna1, Mechler Mátyás2, Fülöp József2,3,4 Almási Gábor1,2, Hebling János1,2,3,4 1PTE Fizikai Intézet, Kísérleti Fizika Tanszék 2MTA-PTE Nagy Intenzitású THz-es Kutatócsoport 3ELI-Hu Nkft 4Szentágotai Kutatóközpont Mafiok2014, Pécs, 2014. augusztus 26.

Általunk javasolt elrendezés - Sematikus ábra - Modellezése (GPT) Bevezetés FEL és IFEL Elektroncsomósítás Általunk javasolt elrendezés - Sematikus ábra - Modellezése (GPT) Eredmények A vívőburkoló-fázis kontrollált fs-os impulzusok előállítása a látható fény és a közeli infravörös tartományban már egy jól megvalósított eljárás. De az as-os tartományban erre nincs megbízható technika. Ezér mi javaslunk egy olyan módszert, amivel vívőburkoló fázis kontrollált attoszekundumos impulzust lehet előállítani. Az általunk javasolt elrendezésnek a sematikus ábrája látható. A módszer két folyamaton alapszik: Ultravékony elektroncsomó előállításon, Koherens undulátor sugárzáson. A kezdeti elektroncsomagunk egy lineáris gyorsítóban (úgynevezett linac-ban) gyorsul fel, majd egy hajlító mágnessel eltérítjük a pályáját, úgy, hogy a módosított pályája egybeessen a lézerünknek a pályájával. Majd a lézert és az elektronokat keresztül küldjük egy undulátoron, az úgynevezett moduláló undulátoron, hisz ott létrejön az energia átmenet. Vagyis egyes elektronok gyorsulnak, mások lassulnak, és elektroncsomósodás jön majd létre. De ezt az elektroncsomagot még csomósodás előtt letérítjük pályájáról, úgy hogy egy másik undulátor elején következzen be a csomósodás. Ez az elektroncsomag áthalad a sugárzó undulátoron, ahol attoszekundumos inpulzusok keletkeznek. Ahhoz, hogy minél koherensebb és jobb as-os impulzust kapjunk, ahhoz minél rövidebb elektroncsomagra van szükség. Ez a munka két részből áll: én az ultravékony elektronfelhő minimalizálásval foglalkoztam és erről beszélek. Tóth György pedig az sugárzó undulátor szimulálásával foglalkozott.

Szabadelektron lézer Rezonancia feltétel: ahol A FEL olyan készülék, amely lézerfényt állít elő úgy, hogy relativisztikus elektronnyaláb halad át benne É-D és D-É mágnespóluspárok sorozata között (ezt hívjuk undulátornak). A kapott lézer hullámhosszát a rezonancia feltételből tudjuk kiszámítani, ahol gamma a Lorentz-faktor, lambdau az undulátor periodusa, és K az undulátor paramétere. K-t jobban kifejtve látható, hogy értéke egyenesen arányos az undulátor maximális mágneses terével.

Sok elektronra lesz szükség Szabadelektron lézer Ha attoszekundumos impulzust akarunk előállítani, akkor annyit kell tennünk, hogy beküldünk egy elektron egy undulátorba. A fenti képlet leírja az elektron mozgásegyenletét. Illetve ki lehet számolni adott helyen az elektron által keltett sugárzást, térerősséget. Az undulátor mágneses tere egy kényszerpályára kényszeríti az elektront és az elektron sugározni fog. Ezért a keltett sugárzás időbeli alakja úgymond lemásolja a mágneses teret. Ki lehet számolni az így kapott energiát, ami 1 elektron a zJ nagyságrendű. Tehát 1 elektron nem elég, elektroncsomóra van szükség. Sok elektronra lesz szükség

Inverz szabadelektron lézer W. D. Kimura, Phys Rev. Lett. 92, 054801 (2004) Elektroncsomag előállítás Legjobb eredmény: 100 - 800 nm Cél: << 800 nm Több tíz éve felvetették annak lehetőségét, hogy a szabadelektronnál lejátszódó folyamat megfordítható. Vagyis a lézer adja át az energiát az elektronnak amivel elektrongyorsítás érhető el. Ezt nevezzük IFEL-nek. Hogy az elektron gyorsul vagy lassul attól függ, hogy az elektron a lézerhez képest milyen fázisban van. Mivel az elektronfelhő általában jóval hosszabb, mint a lézerhullámhossz, ezért a térben minden fázisban lesznek elektronok. Az undulátorból való kilépve az elektronok szabadon repülnek, ahol majd a gyorsabb elektronok utolérik a lassabb elektronokat. Ezt nevezzük csomósodásnak. (Erről később lesz szó). A jobb felső ábrán a STELLA nevű IFEL látható, amit New Yorkban megépítettek. Látható a CO2 lézer és az elektron útja is. Látható, hogy az IFEL1 nevű undulátor felelős az elektron csomosódásáért, azért a folyamatért, amit az előbb elmondtam. Az így előállított elektroncsomóg vastagsága a 100-800 nm-es skálába esik. A célunk az, hogy 10 nm, vagy az alatti elektroncsomagot tudjunk előállítani, hisz akkor lesz koherens a sugárzás.

Csomósításhoz a paraméterek Analitikus formula az elektroncsomó szélességének meghatározására: A.A. Zholents, Phys. Rev. Spec. Top. Acc. and Beams 8, 040701 (2005). STELLA Modell Energia 45,6 MeV Energiabizonytalanság 0,04 % Töltés 0,1 nC Elektronnyaláb hossz 500 μm Emittancia 1,5 mm mrad Lézer hullámhossz 10,6 μm – 1,5 μm Lézer teljesítménye 10 MW 1000 MeV 0,05 % 0,25 nC 30 μm Hogy lehet megbecsülni, milyen széles csomó állítható elő? Coulomb-kölcsönhatást figyelmen kívül hagyva, Zholents és munkatársai meghatároztak egy formulát, aminek a segítségével meg lehet becsülni az elektroncsomó hosszát. Látható a képlet a dián, ahol lambdal a lézer hullámhossza, Sigma a elektronok energiabizonytalansága és deltagamma az elektronok energiamodulációja. A mi célunk ennek a dz0 értéknek a csökkentése. Ez a formula szerint úgy érhető el, hogy a lézer hullámhosszát csökkentjük, az energiabizonytalanság értékét lehetőleg minél kisebbre állítjuk és növeljük az elektron energia modulációját. A táblázatban feltüntettem a STELLA elektrongyorsító paramétereit (azért ezeket, mert ezek elég átlagos paraméterek). Ebből mi 4 paramétert változtattunk a célunk érdekében: a lézer hullámhosszát csökkentettük 1,3 um-re majd később 516 nm-re, a teljesítményét 3.89 majd később 10 TW-ra növeltük és módosítottuk az undulátor periódusszámát, amit a szokványostól eltérően 1-re állítottunk. És az undulátor paramétert kicsi vettünk. 1,4 mm mrad 516 nm 10 TW

Általunk javasolt elrendezés Az általunk javasolt elrendezésnek a sematikus ábrája látható. A módszer két folyamaton alapszik: Ultravékony elektroncsomó előállításon, Koherens undulátor sugárzáson. A kezdeti elektroncsomagunk egy lineáris gyorsítóban (úgynevezett linac-ban) gyorsul fel, majd egy hajlító mágnessel eltérítjük a pályáját, úgy, hogy a módosított pályája egybeessen a lézerünknek a pályájával. Majd a lézert és az elektronokat keresztül küldjük egy undulátoron, az úgynevezett moduláló undulátoron, hisz ott létrejön az energia átmenet. Vagyis egyes elektronok gyorsulnak, mások lassulnak, és elektroncsomósodás jön majd létre. De ezt az elektroncsomagot még csomósodás előtt letérítjük pályájáról, úgy hogy egy másik undulátor elején következzen be a csomósodás. Ez az elektroncsomag áthalad a sugárzó undulátoron, ahol attoszekundumos inpulzusok keletkeznek. Ahhoz, hogy minél koherensebb és jobb as-os impulzust kapjunk, ahhoz minél rövidebb elektroncsomagra van szükség. Ez a munka két részből áll: én az ultravékony elektronfelhő minimalizálásval foglalkoztam és erről beszélek. Tóth György pedig az sugárzó undulátor szimulálásával foglalkozott.

GPT Szoftver: GPT General Particle Tracer Beépített függvények Columb-kölcsönhatás vizsgálat Energiabizonytalanság vizsgálat A csomósodás folyamatát a GPT (General Particle Tracer) nevű szoftverrel szimuláltam. A szoftverről tudni kell, hogy beépített függvényekkel dolgozik és kezeli 3D-ben a Coulomb-kölcsönhatást. A szoftver nagyon „kezelő barát”. Aki dolgozik vele látja mit csinál. Lehet részecskék végleges pályáját megkapni és úgy vizsgálatokat folytatni. A sok beépített függvény mellett lehetőség van arra is, hogy c/c++ nyelven a programhoz hozzá lehet írni önálló program részeket is. Tehát ez a szoftver és az új kutatási témák jó lehetőség esetleges Hallgatók jövőbeli diplomamunkájához.

Modell felépítése -

Modell felépítése FLASH II -

Modell felépítése -

Modell felépítése Az általunk javasolt modellben a kezdeti energiacsomag így helyezkedik el. De korábban mondtam, hogy egy csomósodás egy lézerhullámhossz alatt alakul ki. Az elektroncsomagunk hossza (egy általános érték): 540 um, míg a lézerünk 1,3 um (majd később 500 nm). Tehát az mondható el, hogy egy elektronfelhőből 500-1000 elektroncsomó fog keletkezni. Ez úgy történik, hogy a szétösztöm a töltéseket 5000 db makrorészecskére. Tehát 5000 makro részecskével reprezentálom (szimulálom) a pl 1 nC töltésű összes elektron. Ha ezt így hagynám, és végezném el a vizsgálatokat, akkor ebből az 5000 részecskéből 1000 csomó esetén nem látnánk semmit, nem lehetne értelmezni a futtatást.

Modell felépítése Ezért ebből a hosszú elektroncsomagból kivágok 3 hullámhossznyit. Azért 3-at, és nem 1-et hogy a Coulomb-kölcsönhatás szerepe az esetleges szomszédos csomók között ne legyen elhanyagolva. Tehát így is 5000 részecskére osztom szét megfelelően a töltéseket, és így már vizsgálatokat is lehet folytatni.

Modell felépítése -

Modell felépítése A modell egy beépített függvénye maga az undulátor. Tehát maga a szoftver kezeli 3D-ban az elektromágneses tereket.

Modell felépítése -

Modell felépítése Beépített függvénnyel kezeli a lézert is. Csak meg kell adni a megfelelő paramétereket. Ellenben úgy állítjuk be a lézernek a nyalábnyakát, hogy az undulátor közepén helyezkedjen el.

Szimuláció Tehát eddig minden fizikai, elméleti és szoftveri ismeretünk meg van ahhoz, hogy elvégezzünk egy futtatást.

Nanobunch vastagsága Tehát eddig minden fizikai, elméleti és szoftveri ismeretünk meg van ahhoz, hogy elvégezzünk egy futtatást.

Modell felépítése -

Modell felépítése

Vívő-burkoló fázis kontrolláltság Változtatjuk a mágneses teret → Teljes vívő-burkoló fázis kontrolláltság Impulzus: l0 = 20 nm Dt ≈ 80 as

Energia növelése Energia növelés: Ha csökkentjük a nanobunch keresztmetszetét. Ha g növeljük. Cél az, hogy az energiáját növeljük.

Energia növelése Energia növelés: Ha csökkentjük a nanobunch keresztmetszetét. Ha g növeljük.

Eredmények  r Δt Eas 1000 20 nm 80 as 2.8 nJ 2000 60 nm 225 as 117.3 nJ 45 nm 120 as 88.5 nJ 27.1 nJ 10 nm 36 as 6.0 nJ

Publikációk [1] Z. Tibai et. al., Phys. Rev. Lett., elfogadva [2] Z. Tibai et. al., folyamatban [3] Gy. Tóth et. al., folyamatban Poszterek, előadások [1] Simple setups for carrier-envelope-phase stable single-cycle attosecond pulse generation. Proceedings of the 35th International Free-Electron Laser Conference, FEL 2013. [2] Proposal for EUV-VUV pulse generation with controlled carrier-envelope phase , Ultrafast Optics (UFO IX) 2013. [3] Proposal for sub-femtosecond pulse generation with controlled carrierenvelope phase, CLEO Europe 2013. [4] Single-cycle pulse generation by Thomson-scattering in the MIR to X-Ray spectral ranges, SPIE Optics 2013

Köszönöm a figyelmet! Ez azzal magyarázható, hogy az elektron energiája, hogyan változik az időben az alábbi képlet írja le. Több periódusszámú undulátoroknál a jobb oldali tagot elszokás hagyni. De mi 1 periódusú undulátort használunk, ezért ezt a tagot figyelembe kell vennünk.

Modell felépítése Visszatérve az általunk javasolt modellhez… Az eddigi ismereteink alapján kell illetve kellett találni egy jó elektroncsomagot, ami a mi céljainkkal megfelelő. Hogy ez mit takar? Olyan elektroncsomag számunkra a jó, aminek A töltése minél nagyobb. Ez 1 nC-os tartományt jelent A hossz minél rövidebb legyen. Ezzel elérve a megfelelően nagy töltéssűrűséget. Az energiabizonytalansága minél kisebb legyen (0.04%). Az energiája pedig 10-20 MeV tartományban, vagy annál tartományba essen. Ezek a szempontok alapján találtunk egy számunkra megfelelőt, amit ábrázoltam is. (Ez éppen japánban megépített photoinjektor terméke). J. F. Yang et al., Jap. J. Appl. Phys. 44, 12 (2005).