MTA-PTE Nagyintenzitású Terahertzes Kutatócsoport

Az előadások a következő témára: "MTA-PTE Nagyintenzitású Terahertzes Kutatócsoport"— Előadás másolata:

1 MTA-PTE Nagyintenzitású Terahertzes Kutatócsoport
Nagyenergiájú terahertzes impulzusok alkalmazása a szegedi ELI-ALPS-ban Hebling János PTE Fizikai Intézet MTA-PTE Nagyintenzitású Terahertzes Kutatócsoport Ez a sokoldalúság 50 év intenzív fejlesztésének az eredménye. A lézerfény teljesítménye például nanowattól több petewattig terjedhet. Ez 24 nagyságrendnyi tartomány. Egy vasaló hőteljesítménye ezer Watt. A legkisebb lézer teljesítmény ennek egymiliomod részénél még egymiliószor kisebb. A legnagyobb lézer csúcsteljesítménye viszont a vasaló teljesítménye egymilliószorosának az egymiliószorosa.

2 Vázlat Mi az ELI és az ELI-ALPS?
Milyen szerepe lehet a THz-es impulzusoknak az ELI-ALPS-ban? Lézerműködés elve, feltétele Néhány fontos fogalom, eljárás, eszköz Néhány lézer főbb tulajdonságai Lézerek alkalmazásai Különleges lézerek THz-es impulzusok tulajdonságai Nagy energiájú THz-es impulzusok előállítása döntött impulzusfrontú gerjesztéssel Extrém nagy energiájú THz-es impulzusok lehetséges alkalmazásai Extrém nagy energiájú THz-es impulzusok előállítása Nagy- és extrém nagy energiájú THz-es impulzusok az ELI-ALPS-ban Előadásomban bemutatom a lézer működési elvét valamint néhány olyan eljárást és eszközt, amely a lézer sokoldalúságát biztosítja. Példaként megemlítek néhány lézertípust és alkalmazási lehetőséget. Röviden bemutatok három különlegesen óriás lézert. Az előadásomat a PTE Fizikai Intézetében végzett lézerfizikai kutatások egy részének bemutatásával zárom.

3 Mi az ELI? ELI: Extreme Light Infrastructure
Európai Kutatási Infrastruktúrák Stratégiai Fóruma (ESFRI) ELI-ALPS: Attosecond Light Pulse Source, Szeged ELI Beamline Facility, Prága ELI Photonuclear Facility, Bukarest ELI: 200 PW csúcsteljesítményű lézerrendszer, helyszín később Előadásomban bemutatom a lézer működési elvét valamint néhány olyan eljárást és eszközt, amely a lézer sokoldalúságát biztosítja. Példaként megemlítek néhány lézertípust és alkalmazási lehetőséget. Röviden bemutatok három különlegesen óriás lézert. Az előadásomat a PTE Fizikai Intézetében végzett lézerfizikai kutatások egy részének bemutatásával zárom.

4 ELI-ALPS, Szeged ELI-ALPS: Attosecond Light Pulse Source of the Extreme Light Infrastructure ( 1 as = s Construction phase: 2013 – 2017 Part of the pan-European ELI project, on the ESFRI roadmap ≈ 60 MrdFt Advanced primary and secondary radiation and particle sources Main research directions: Laser development Secondary source development Valence electron science Core electron science Attosecond 4D imaging Ultrafast plasma dynamics Biomedical applications Manipulation of matter by intense THz fields 4

5 Az ELI-ALPS fő lézerforrásai és alkalmazási területei

6 Az ELI-ALPS elsődleges és másodlagos forrásai
6

7 Desired properties of THz pulses for applications at ELI-ALPS
Application area Energy [µJ] Peak electric field [MV/cm] Frequency [THz] Waveform (single- or multi-cycle) Multispectral single-shot imaging 10 0.1 1 – 30 single Nonlinear THz spectroscopy 1 > 0.1 single/multiple THz-assisted attosecond pulse generation up to (frequency dependent) 50 3 000 5 1 – 4 multiple Investigations under the influence of extremely high THz fields 10 – 3 000 1 – 100 < 0.5 – 2 Manipulation and characterization of relativistic electron beams > 100 1 – 40 < 0.5 – 5 Post-acceleration of laser-generated proton beams 20 000 1 – 5 < 0.5 Conceptual Design Report of the High-Intensity THz Facility at ELI-ALPS 7

8 A sokszínű lézer, nanowattól petawattig
50 éves a lézer! Hebling János PTE Fizikai Intézet Ez a sokoldalúság 50 év intenzív fejlesztésének az eredménye. A lézerfény teljesítménye például nanowattól több petewattig terjedhet. Ez 24 nagyságrendnyi tartomány. Egy vasaló hőteljesítménye ezer Watt. A legkisebb lézer teljesítmény ennek egymiliomod részénél még egymiliószor kisebb. A legnagyobb lézer csúcsteljesítménye viszont a vasaló teljesítménye egymilliószorosának az egymiliószorosa.

9 A lézerfény színét a lézer által kibocsátott elektromágneses hullám frekvenciája határozza meg. Hét nagyságrendnyi széles frekvenciatartományon működnek a különböző lézerek. Ezzel szemben a szem érzékenységi tartományának frekvencia szélessége mindössze egy oktáv, ami egyetlen nagyságrendnek a töredéke.

10 A lézerek alkalmazási területei között a fél évszázad alatt is maradtak állandóak, de én nem ezekről fogok beszélni. A fejlődés eredményét kifejezheti a képernyő jobb felső sarkában látható kép, amelyen Maiman, az első lézer, a rubinlézer kifejlesztője a lézerének az un. fejét tartja a kezében, a háttérben pedig nukleáris fúzió beindítására szolgáló lézerrendszer egy része látható. Az így szemléltetett változásnál fontosabb azonban az, hogy a lézerek energiaátalakítási hatásfoka kevesebb, mint egy ezrelékről több mint 50 %-ra nőt.

11 LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Fény erősítése LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Gyengítés, abszorpció gerjesztés Erősítés, kényszerített emisszió A lézer szó az angol Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation kifejezés rővidítéséből származik. E kifejezés jelenése fény erősítés sugárzás kényszerített emissziója által. A mindennapi életben gyakran találkozunk a fénygyengítés jelenségével: Például a napszemüvegek egy része ezen alapszik, és mindenféle színes üveg is a fénygyengítés, az abszorbció miatt színes. A kényszerített emisszió segítségével az abszorpcióval ellentétes folyamat, fénynek az erősítése is megvalósítható. Ha egy közegben sikerül erősítést elérni, és e közeg két oldalára két párhuzamos tükröt helyezünk, amelyek közül az egyik a fény egy részét átengedi, akkor lézerműködést kaphatunk. A lézerből kilépő intenzív sugárzás a kilépő tükörre merőlegesen és általában kis divergenciával azaz kis széttartással terjed. Lézerműködés

12 „Atomok” sugárzásos átmenetei
Planck 1900, Einstein 1905, 1916 abszorpció spontán emisszió A kényszerített emisszió fogalmát Einstein vezette be 1916-ban. Ezt megelőzően, 1900-ban Planck úgy tudta megmagyarázni a magas hőmérsékletű testek által kibocsátott sugárzás az un. Feketetest sugárzás tulajdonságait, hogy feltételezte , hogy a sugárzás kibocsátása csak kis energiaadagokban történik. Ezek az energiaadagok a sugárzás frekvenciájával arányosak ben Einstein a fotoeffektust, azt a jelenséget, amikor fény hatására elektron lép ki egy fémből úgy tudta megmagyarázni hogy feltételezte, hogy a sugárzás elnyelése –a kisugárzáshoz hasonlóan csak kis energiakvantumokban törthet ban pedig a feketetest sugárzás tulajdonságait tudta egyszerűen megmagyarázni úgy, hogy feltételezte, hogy egy atom és az elektromágneses sugárzás háromféle kölcsönhatásba léphet: az atom egy alacsony energiaszintű állapotból magasabb energiaszintű állapotba kerülhet a sugárzás egy energiaadagjának a fotonnak az elnyelése által. Ezt abszorpciónak nevezzük. A magasabb energiájú állapotban lévő atom alacsonyabb energiájú állapotba juthat. Ha ez minden külső hatás nélkül következik be akkor spontán emisszióról beszélünk, ha viszont sugárzás hatására, akkor kényszerített emisszióról beszélünk. Ez utóbbi folyamat esetén egy fotonból két foton keletkezik, a sugárzás erősödik. Ahhoz, hogy a sok atomot tartalmazó kiterjedt közegbe belépő fény erősödve lépjen ki a közegből az szükséges, hogy többször játszódjon le a kényszerített emisszió folyamata, mint az abszorpcióé. Mivel Einstein szerint a két folyamat valószínűsége egy atomra egyenlő, a fény makroszkópikusan akkor erősödik, ha a közeg több olyan atomot tartalmaz, amely magasabb energiájú állapotban van, mint olyant amely alacsonyabb energiájú állapotban van. Külső hatás nélkül ennek az ellenkezője valósul meg N1 nagyobb mint N2, ezért gyengül a közegen áthaladó fény. Külső gerjesztéssel, amit pumpálásnak szokás hívni azonban elérhető hogy N2 nagyobb legyen mint N1, azaz populáció inverzió valósuljon meg, és így a közeg a belépő fényt erősítse. Meg lehet mutatni, hogy optikai pumpálást alkalmazva csak akkor lehet populáció inverziót elérni, ha legalább három, de még könnyebben, ha négy atomi szint vesz részt a folyamatokban, mint ahogy a jobb alsó ábra szemlélteti. A pumpálás történhet optikai úton kisülési lámpával, vagy egy másik lézerrel, történhet elektromos kisüléssel, külső elektron forrással felgyorsított elektronokkal, vagy félvezetőkben elektromos árammal. kényszerített emisszió

13 Kényszerített emisszió tulajdonságai
azonos terjedési irány azonos hullámhossz azonos fázis azonos polarizáció A kényszerített emisszió során keletkező fénynek terjedési iránya, hullámhossza, rezgési fázisa és rezgési síkja is azonos a kényszerítő fény megfelelő tulajdonságával. Emiatt egy tökéletesen rendezett nyaláb keletkezik, amelyet koherens nyalábnak is szokás nevezni. Eredmény: tökéletesen rendezett nyaláb (koherens nyaláb)

14 Gauss nyaláb tulajdonságai

15 Oszcillátor erősítő rendszer
0,5 – 50 ns Q-kapcsolás Módus szinkrinizálás 5 fs – 5 ps ELI-ALPS Fényvezető-szál Igen rövid, a másodpercnél egymiliárdszor rövidebb ideig tartó intenzív lézerimpulzusokat lehet létrehozni un. Q-kapcsolás segítségével. Ehhez az kell, hogy a lézer az erősítő közegen és a tükrökön kívül tartalmazzon egy olyan kapcsolót, amely kezdetben nem engedi át a fényt. Pumpálás hatására erősítés épül fel az erősítő közegben mert sok atom kerül gerjesztett állapotba. Amikor az erősítés kellően nagy a kapcsoló magától, vagy külső hatásra hirtelen áteresztővé válik és létrejön a lézerműködés. Ez azonban hamarosan megszűnik, mert olyan nagy intenzitású lesz a fény a lézer belsejében, hogy a gerjesztett atomok többsége a kényszeremisszió során alapállapotba jut. Így nem csak rövid, de egyben nagy teljesítményű lézerimpulzus keletkezik. A Q-kapcsolt lézer teljesítménye elérheti az 1 GW-ot is. Ez a teljesítmény egymiliószor nagyobb a vasaló hő-teljesítményénél. Még rövidebb impulzusokat állít elő az un. módusszinkronizált lézer. 1 ps a másodperc egymiliomod részének az egymiliomod része. 1 fs még ezerszer rövidebb, mint a pikoszekundum. A fényvezető szál nagyon vékony, kb. 0,1 mm vastagságú üveg szál, aminek a közepén általában nagyobb a törésmutató, mint a külső részben, és a teljes visszaverődés jelenségét felhasználva vezeti a fényt a belső részben, a magban. Fényvezető szállal akár több km távolságra is lényeges energiaveszteség nélkül lehet fényt továbbítani. Ezért használják internetes gerincvezetékekben optikai adatátvitelre. A mag megfelelő elemmel történő szennyezésével fényvezetőszál lézer készíthető. Ez sokkal kevésbé érzékeny külső hatásokra, mint a hagyományos lézer. Lézertechnikában gyakori az oszcillátor–erősítő rendszer alkalmazása. Például, ha nagyteljesítményű ultrarövid fényimpulzusokat akarunk előállítani, akkor egy módusszinkronizált lézert használunk oszcillátorként. Ez még viszonylag kis teljesítményű impulzusokat bocsát ki. Az oszcillátor tervezésénél elsősorban arra ügyelünk, hogy minél rövidebb impulzusokat állítson elő. Ezeket azután megerősítjük egy vagy több erősítőben. Az erősítő tervezésénél elsősorban arra kell figyelni, hogy megfelelő erősítést, illetve hatásfokot érjünk el. Egyetlen lézerben sokkal nehezebb megvalósítani a rövid impulzus és a nagy hatásfokot, mint egy oszcillátor –erősítő rendszerben. Oszcillátor erősítő rendszer

16 Nyújtott impulzusú erősítés CPA
D. Strickland G. Mourou Egy speciális, de az ultrarövid impulzusú lézerek esetén szinte kivétel nélkül mindig alkalmazott erősítési mód a nyújtott impulzusú erősítés. Erre akkor van szükség, ha olyan nagy energiájú és olyan rövid fényimpulzusokat akarunk előállítani, amely már az erősítőközeg károsodását okozná. Ennek elkerülésére az erősítés előtt időben kinyújtjuk az impulzus. Az erősítő jelentősen megnöveli az impulzus energiáját, ami azonban a nagy impulzushossz miatt nem eredményez olyan nagy intenitást, amely károsítaná az erősítőt. A megerősített impulzust időben összenyomva viszont nagyon nagy intenzitás érhető el. A jobb alsó ábra azt mutatja, hogyan kezdett el rohamosan nőni az elért fokuszált intenzítás a nyújtott impulzusú erősítés bevezetését követően.

17 Nemlineáris optikai frekvencia átalakítás
Fázis/sebesség illesztés Összeg-frekvencia-, második harmonikus keltés Különbségi frekvencia keltés Optikai egyenirányítás, THz-es impulzus Különbségi frekvencia keltés A nagy intenzitású lézerek megjelenése vezetett a nemlineáris optikai jelenségek felfedezéséhez. A lézerre azért volt szükség, mert ezek a jelenségek csak nagy intenzitásoknál jelentkeznek. A nemlineáris optikai jelenségek egy csoportja felhasználható arra, hogy egy adott frekvenciájú lézerfényből egy másik frekvenciájú lézerfényszerű fényt állítsunk elő. A legegyszerűbb nemlineáris frekvenciaátalakítási folyamat a második harmonikus keltés, aminek során két alacsony frekvenciájú fotonból olyan foton keletkezik, aminek frekvenciája az eredeti fotonok frekvenciájának kétszerese. Ilyen folyamatra van szükség ennél a lézeres mutatónál is. Különbségi frekvenciakeltésnél két bemenő frekvencia különbségét keltjük. Optikai parametrikus erősítő esetén a nagyfrekvenciájú bemenő sugárzás intenzitása sokkal nagyobb, mint az alacsonyabb frekvenciájúé, és különbségi frekvenciakeltések sorozata révé az alacsony frekvenciájú bemenet megerősödve lép ki az OPA-ból. Optikai parametrikus erősítés (OPA) Optikai parametrikus oszcillátor (OPO)

18 Lézer típusok Rubin lézer: 694 nm (mélyvörös), 1 J, 1 ms, 1 kW, 5 ns, 0.2 GW (Q-kapcsolt) He-Ne lézer: 633 nm (vörös), folytonos, 1 mW Nd:YAG lézer: 1064 nm (infravörös), <1 mJ – 1 kJ, folytonos, 5 ns, 30 ps Ar-ion lézer: 514 nm (zöld), (kék, UV), folytonos, 20 W CO2 lézer: 10,6 mm (közepes infravörös), kW, folytonos, impulzus 100 ns Yb-fiber lézer: 1,03 mm, folytonos, 1 kW, impulzus 100 fs, 30 W Ar8+ lézer: 49 nm, 1 mJ, 1 ns Félvezető lézer: < 400 nm – 300 mm, folytonos, impulzus > 1 ps, 1 mW – 10 kW Itt láthatóak néhány lézertípus főbb paraméterei. A rubinlézer volt az első lézer. Ez nagy energiájú, de kicsi a hatásfoka. A Nd:YAG lézer kisebb és nagyobb energiájú is lehet. Folytonos, és impulzusüzemű is lehet. Hatásfoka sokkal jobb, mint a rubinlézeré. Különösen jó a hatásfoka a korszerű, félvezető lézerrel pumpált típusoknak. A széndioxid lézert nagy teljesítménye és hatásfoka miatt elterjedten használják fémek vágására és hegesztésére. Több alkalmazási területről azonban kezdi kiszorítani a szintén jó hatásfokú és kényelmesebben használható Yb fényvezetőszál lézer. Ez utóbbiból ultrarövid impulzusú változat is van. Kisteljesítményű félvezető lézereket elsősorban távközlésben alkalmaznak. A félvezető lézerek 50%-ot meghaladó hatásfoka miatt kis, közepes és nagyteljesítményű félvezető lézereket is alkalmaznak szilárdtest lézerek pumpálására. Ebben a lézeres mutatóban is.

19 Alkalmazások I. Lézeres mutató CD/DVD lejátszó
Lézeres nyomtató, vonalkód leolvasó információtovábbítás fényvezető szálban, internet Az alkalmazások első csoportja viszonylag kis teljesítményű lézereket igényel. Ide tartozik a lézeres mutató, a CD lejátszó, a lézeres nyomtató és vonalkód leolvasó. A lézeres mutató felépítése itt látható. Nagy térrészt ebben az elemek és az elektronika foglalnak el. A lézer rész tartalmaz egy kis félvezető lézert. Ennek egy lencsével lefókuszált fénye pumpálja a Nd szilárdtest lézert, ami nem látható, hanem közeli infravörös lézerfényt állít elő. Ebből egy KTP nevű nemlineáris optikai kristály második harmonikus keltéssel állítja elő a szemünk számra jól látható zöld színű fényt.

20 Anyagmegmunkálás - Vágás
Alkalmazások II. Anyagmegmunkálás - Vágás Ez a video egy nagyteljesítményű lézernek autókarosszéria elem előállításában történő felhasználását mutatja.

21 Anyagmegmunkálás – Lézeres műtárgytisztítás
Alkalmazások II. Anyagmegmunkálás – Lézeres műtárgytisztítás Itt pedig megfigyelhetjük, amint egy restaurátor fém szobrot tisztít. A lézerfény egy flexibilis fényvezető szál kötegen keresztül érkezik. Athénban a nemzeti múzeumban kiállított szobrok sokaságát tisztították meg lézerek segítségével.

22 Alkalmazások III. Orvosi, biológiai
Lézer szike, általános sebészet, szemsebészet Lézeres szemkorrekció Fotódinamikus rákterápia Lézercsipesz A lézerek orvosi, biológiai alkalmazásai közül a lézercsipeszt mutatom be. Ez azon alapul, hogy ha egy átlátszó gömböcskét helyeznek lefókuszált fény útjába, akkor a gömbön áthaladó fénysugár törése miatt olyan erő hat a gömbre ami a fókuszfolt közepe felé, a legnagyobb intenzitású hely felé mozdítja el a gömböt. A lézercsipesz egy módosított fény mikroszkóp, ami egy lézerrel és annak fényét gyorsan eltéríteni tudó modulátorral és elektronikával van felszerelve.

23 Alkalmazások III. Lézer csipesz kinesin
Ez a video azt demonstrálja, hogy egy lézercsipesszel több 1 mikrométer átmérőjű üveggömböcske is egyhelyben tartható, illetve tetszés szerint mozgatható. Mikor a video végén a lézert kikapcsolják a gömböcskék eltűnnek, mivel kilépnek a mikroszkóp fókuszsíkjából. A következő video azt mutatja, ahogy egy megfestett DNS-t a két végéhez tapadó üveggömb segítségével egy lézercsipesszel nyújtanak. Az ábra pedig azt mutatja, hogy egy hasonló módszerrel nyújtott motor protein, a kinesin esetén azonos lépcsőket tartalmazó diszkrét hossz változások következtek be.

24 Alkalmazások III. Orvosi, biológiai
Bőrgyógyászati kezelés (Pl. pikkelysömör KrF lézerrel) Lézeres szőrtelenítés, tetoválás eltávolítás Optikai koherens tomográfia, OCT Az optikai koherens tomográfia segítségével az ultrahang technikához némileg hasonló módszerrel, de annál lényegesen jobb térbeli feloldással tudnak háromdimenziós képet alkotni például szem belsejéről, vagy a felszín közeli érrendszerről.

25 Alkalmazások IV. Pumpa – próba mérések. Időbeli fejlődés 5 fs feloldással! Lágy – röntgen impulzusok előállítása és alkalmazása, MHK, 100 as Elektron gyorsítás Proton, ion gyorsítás, hadron terápia A lézerek kutatási célú alkalmazásai között fontos helyen szerepelnek a pumpa-próba típusú mérések, amelyekkel nagyon jó időbeli feloldással lehet különböző fizikai, kémiai, vagy biológiai folyamatokat vizsgálni. A lézerekkel elérhető impulzushosszaknál még lényegesen rövidebb, attoszekundumos lágy-Röntgen impulzusokat lehet előállítani un. magasharmonikus keltéssel. A keltett harmonikusok intenzitása a harmonikus rendjének függvényében a platót mutat, majd egy levágási rend, vagy frekvencia után hirtelen csökken az intenzitás. Minél nagyobb a levágás rendje, annál rövidebb impulzus keletkezhet. Jelenleg a legrövidebb impulzus kb 100 as időtartamú, 1 ps időtartamnál még 10 ezerszer rövidebb. Lézerekkel hatásosan lehet elektronokat gyorsítani akár GeV energiára. Kezdeti eredményeket már protonok és más ionok lézeres gyorsításában is elértek. Ez az alkalmazás nagyon fontos lenne olcsó, széleskörű alkalmazást lehetővé tevő hadronterápiai központok létrehozásához.

26 Hadron terápia Protonterápiás centrum Dózis a mélység függvényében
A hadronterápia a rákbetegségek sugárkezelésének az a módja, amikor sugárzásként nagy energiára felgyorsított protonok vagy ionok nyalábját alkalmazzák. Ennek az eljárásnak az a nagy előnye a hagyományos, például gamma sugárkezelésekkel szemben, hogy a sugárzás roncsoló hatása lényegében csak a kezdeti ionenergiától függő mélységű térrészben jelentkezik, így az ez előtt lévő egészséges szöveteket alig károsítja. Jelenleg nagy részecskegyorsítókat használnak ionforrásként.

27 HIPER ELI ELI atto Különleges lézerek

28 National Ignition Facility
NIF National Ignition Facility HIPER: High Power laser Energy Research facility 5 ns, 250 kJ, 355 nm + 10 ps, 150 kJ, 1064 nm

29 Szabadelektron lézer I.
Működési elv SASE: Self-Amplified Spontaneous Emission Az eddig bemutatott lézerekkel ellentétben a szabadelektron lézer működése nem atomok, molekulák vagy ionok kötött elektronjainak a különböző gerjesztési szintek közötti átmenetkor keletkezik, hanem relativisztikus sebességre felgyorsított szabad elektronok térben váltakozó mágneses térben bekövetkező hullámzó mozgása miatt jön létra. A keletkező lézersugárzás hullámhossza arányos a mágneses tér térbeli periódusával, ami technikai okokból nem lehet rövidebb néhány cm-nél, és fordítva arányos a sebességtől függő gamma négyzetével. Gamma a felgyorsított elektron energiáját fejezi ki. Ennek nagynak kell lennie már látható lézerfény előállításához is. Ezért az elektronok gyorsítására nagy és költséges elektrongyorsítót kell használni. Emiatt Magyarországon sőt egész kelet és középeurópában (Németországot leszámítva) nem működik szabadelektron lézer. Pedig nagyon jó tulajdonságokkal rendelkezik. Nagy átlagteljesítmény érhető el vele, és frekvenciája széles tartományon változtatható . N Phot. 4, 589 (2010)

30 Röntgen Szabadelektron lézer II.
Felépítés A röntgen szabadelektron lézernek pedig egyszerűen nincs versenytársa. Biológiában, anyagtudományban nagy térbeli és időbeli feloldású vizsgálatokat tesz lehetővé. Jelenleg egy ilyen lézer működik a világon. Ez a kaliforniában lévő berendezés néhány hónapja kezdett el működni. Jelenleg három másik Röntgen szabadelektron lézert terveznek, vagy építenek, Japánban, Németországban és Svájcban. A Kaliforniai berendezés légifelvétellel készült képe valamint felépítésének vázlata néhány méret megjelölésével látható a képernyőn. Mint látható egy óriás berendezésről van szó. Azért került csak 380 M$-ba mert az elektron gyorsítót nem kellett megépíteni, azt egy más nagyberendezésből örökölték. Hamburgban meg kell építeni az elektron gyorsítót is. Annak a lézernek a bekerülése összege várhatóan 850 MEur lesz. Bekerülési költség: LCLS: 380 M$ Euro-XFEL: 850 MEUR

31 THz-es sugárzás, T-sugarak

32 Tárgyakon történő áthaladáson, vagy visszaverődésen alapul
THz-es képalkotás Tárgyakon történő áthaladáson, vagy visszaverődésen alapul Fémek reflektálják, papír, műanyagok, ruházat nagymértékben átengedi a T-sugarakat transzmisszió reflexió optikai optikai THz-es Képek táskában, cipősarokban elrejtett tárgyakról

33 Spektrális képalkotás
MDMA, Metamfetamin, aszpirin K. Kawase et al: Opt. Express 11, 2549 (2003)

34 Sebesség illesztés döntött impulzusfrontú gerjesztéssel
Twelve years ago we introduced the tilted pulse-font pumping setup for achieving velocity matching for THz pulse generation in materials having slower velocity in the terahertz range than in the optical one. Using this technique for LN crystal resulted much higher conversion efficiency than the more common collinear excitation of ZnTe, and very recently THz pulses with more than 100 microJ energy were generated. However, for the case of using high energy pump pulses some limitations of the original set-up was recognised. ~100 fs typical Hebling et al., Opt. Express, 2002

35 Appl. Phys. Lett. 83, 3000 (2003), Appl. Phys. B 78, 593 (2004)
Kísérleti eredmények Appl. Phys. Lett. 83, 3000 (2003), Appl. Phys. B 78, 593 (2004) Impulzus energia: 2.6 mJ Folt átmérő: <0.3 mm THz impulzus energia ( 77/300 K ): 400/100 pJ Csúcs térerősség: 7 kV/cm, a foton konverzió hatásfoka: 3.4 % Because of the small available pump pulse energy used in the first realization, an unfavorably small spot size had to be used. Even in this case the photon conversion efficiency was larger then 3%. The spectrum of the generated single-cycle THz pulse peaked above 1 THz.

36 LN és ZnTe használatával keltett THz energiák összehasonlítása

37 A THz tartományon megfigyelt nemlineáris effektusok
Önfázis-moduláció (n2THz ~ 1000 n2vis) Második harmonikus keltés (kristályrács által megnövelt) Szabadelektron abszorpció telítődése (elektronok újrarendezése a vezetési sávban) A szabad töltéshordozók abszorpciójának megnövelése ütközéses ionizációval A szabad töltéshordozók abszorpciójának megnövelése a szennyezések ionizációjával Harmadik felharmonikus keltése szabad töltéshordozókkal

38 A THz-es forrás önfázis-modulációja LN-ban 10 K-en
First we observed nonlinear effect in the THz generation crystal, itself. This slide depicts waveforms of THz pulses generated at maximal (red) and at three times reduced (blue) pump energy. The amplitude of the two curves are rescaled for easier comparison of the shapes. The observed waveforms indicate significant self-phase modulation of the higher energy THz pulse in the generating LN crystal. Since for the higher intensity THz pulse the peaks are more rare for the increasing intensity leading part and they are more frequent for the decreasing intensity trailing part comparing to the weaker pulse, we can conclude that the self-phase modulation is caused by a positive nonlinear index of refraction. Hebling et al.: IEEE J. QE 14, 345 (2008)

39 Más csoportok mérései Hirori et al.: Phys. Rev. B 81, 081305R (2010)
Very recently other groups also started to use THz pulses generated by TPFE in their research in the THz range. The corresponding publications and research topics are shown here. Ogawa et al.: Appl. Phys. Lett. 97, (2010) Excitonok szén nanocsövekben Doi et al.: Opt. Express 18, (2010) THz free induction decay tirozinból Liu et al.: Appl. Phys. Lett. 97, (2010) Fotolumineszcencia kioltása THz-es impulzussal

40 Attoszekundumos impulzusok keltése
MHK THz-es tér jelenlétében K. Varjú (SZTE), G. Farkas (Wigner Fizikai KK, Budapest) Kombinált THz + IR terek Megbontja az IR tér szimmetriáját Hong et al., Opt. Expr. 2009 Módosítja a MHK spektrumot Modell számítások: kvantummech. Lewenstein, PRA 1994 The shortest, so called attosecond pulses are created by HHG of extremely short, only 5-10 fs long pulses in rare gas jets. A very recent publication indicated that combination of near IR pump and a quasystatic field of THz pulse can result in an improvement of this process. As this schematic figure indicates, the combination of the two fields break the symmetry. Our colleagues, made a series of calculation based on realistic pulse parameters. 40

41 Attoszekundumos impulzusok keltése
MHK erős THz-es tér jelenlétében 1560 nm 800 nm Mind páros és páratlan harmonikusak  csak egy as impulzus gerjesztés periódusonként EIR = 388 MV/cm IIR = 2 × 1014 W cm-2 The calculations were performed both for 800 nm and 1.5 micrometer pump pulses and supposing THz background pulses with increasing peak field stregth up to 40 MV/cm. According to the calculations, because of the breaking symmetry, both odd and even orders are generated, and only one as pulse per pump period is created. The cut of order continuously increasing with increasing THz field strength. The effect is larger for the 1.5 micrometer pump, but it is present in both cases. For 1.5 mm the increase in cut of order is more than 50%. A similar shortening of the as pulses can be expected. You can notice that earlier I spook on rather high THz pulse energy, but the electric field was below 1 MV/cm, much smaller than 40 M/cm. However the situation can change drastically for generating THz pulses at not around 1 THz, but at significantly higher frequency. In the next talk for example we will probably hear on the nice results on generation THz pulses with 100 MV/cm at 45 THz. This was achieved by DFG in GaSe. The birefrigence was used for achieving PM. Our next plan is generation of similar THz pulses in LN by OR. PM will be achieved by tilted pulse-front –excitation. OR is more suited for attosecond generating lasers. F. Junginger et al., Opt. Lett. 35, 2645 (2010): ETHz= THz by OPA in GaSe, birefrigent PM ETHz = 0 … 40 MV/cm 41

42 Lézer meghajtású elektron gyorsítás vákuumban
Plettner et al.: Phys. Rev. Spec. Top. – Accel. and Beams 9, (2006) nyaláb eltérítés, fókuszálás and 12, (2009) 1 GV/m = 10 MV/cm csúcs térerősséget igényel!

43 Proton utógyorsítás THz-es impulzus evanescens terével
Lézerrel keltett protoncsomagok gyorsítására Pálfalvi et al., Phys. Rev. ST Accel. Beams, 2014 Tibai et al., EOS TST, 2014 Gyorsítás és monokromatizálás több fokozattal, 0,25 THz frekvencia In this device the evenescent field generated inside the gap between the two dielectric prisms post-accelerates the proton bunches generated by laser-plasma based proton source. Obviously, low THz frequency is advantageous here, since the allowed gap size is proportional to the wavelength of the THz pulse. 42 → 56 MeV Monokromatizálási arány: 10 %

44 THz nyalábprofilok Kontaktrács Optimalizált Nem-optimalizált
Nincs oldalirányú méretkorlát Pálfalvi et al.: APL 92, (2008) Fülöp et al.: Opt. Expr. 18, (2010) Nem-optimalizált Optimalizált A rács képe párhuzamos a fronttal A hosszabb fókusztávolságú lencse jobb In order to explore the performance and limitations of a TPFP setup, we carried out numerical calculations for an extended pump beam. Here, you can see the THz beam profile calculated for a badly designed high aperture setup. The beam profile is asymmetric and very narrow peaked, limiting the focusability and the intensity increase. According to the calculations, the reason of this is the strong deviation of the grating’s image from the tilted pump pulse front. The next plot corresponds to an optimized setup where the grating image is tangential to the pulse front leading to a significantly improved beam characteristics. Our calculations also show that longer focus is advantageous for reducing THz beam divergence and asymmetry. Recently, we have proposed to omit the imaging optics and to bring the grating in contact with the crystal surface as shown here. This geometry eliminates imaging errors and allows to use a large pump cross section. This results a flat pump pulse front, and consequently a flat THz wavefront and symmetric THz beam profile.

45 Gerjesztő impulzus szélesség és THz keltési hossz
Impulzusfront dőlés: LiNbO3 λp = 800 nm Fp = 5.1 mJ/cm2 Ωpm = 1 THz szögdiszperzió GVD paraméter: Both the attosecond and the electron deflection applications needs significantly higher intensity THz pulses. In the remaining part of my talk Iwould like to show that there is plenty of room for such intensity increase using the tilted pulse-front-excitation. Since the unique connection between the pulse front tilt, the angular dispersion and the GDD, the pump pulse duration changes with propagation distance in the nonlinear medium. This, together with THz absorption results in a limited effective THz generation length, as shown for the case of LN. Please notice that using as short as 50 fs pulses is disadvantages, since the effective THz generation length is extremely short for this case. anyagi diszperzió Martinez et al., JOSA A, 1984 Hebling, Opt. Quantum Electron., 1996

46 THz energia függése a pumpáló energiától (LiNbO3)
This plot shows the THz energy versus the pump energy for room temperature experiments using short, about 100 fs long pump pulses. At high pump energy the experimental points approach a line corresponding to 0.1 % efficiency. However, the points corresponding to experiments performed with longer pump pulse duration approach a line corresponding to 1 % efficiency. The experiment using pulse duration closest to the optimum resulted larger than 1 % efficiency at room temperature and nearly 4 % at low temperature. Our very recent experiments with somewhat longer pump pulses having significantly larger energy also resulted close to 1 % efficiency.

47 Desired properties of THz pulses for applications at ELI-ALPS
Application area Energy [µJ] Peak electric field [MV/cm] Frequency [THz] Waveform (single- or multi-cycle) Multispectral single-shot imaging 10 0.1 1 – 30 single Nonlinear THz spectroscopy 1 > 0.1 single/multiple THz-assisted attosecond pulse generation up to (frequency dependent) 50 3 000 5 1 – 4 multiple Investigations under the influence of extremely high THz fields 10 – 3 000 1 – 100 < 0.5 – 2 Manipulation and characterization of relativistic electron beams > 100 1 – 40 < 0.5 – 5 Post-acceleration of laser-generated proton beams 20 000 1 – 5 < 0.5 Conceptual Design Report of the High-Intensity THz Facility at ELI-ALPS 47

48 Összefoglalás Lézerek a mindennapi életünkben, iparban, gyógyításban, stb. Félvezető dióda lézerek a leghatékonyabb elsődleges lézerek Fényerősítés nemlineáris optikai módszerrel és (relativisztikus) szabadelektronokkal Legrövidebb impulzusidő 5 fs, közvetetten (MHK) 100 as. ELI-ALPS PTE világelsőség a nagyenergiájú THz-es impulzus előállításban THz az ELI-ALPS-ban (atto. előállítás, részecske gyorsítás