FBMI ČVUT

FBMI ČVUT

Plazmatické rentgenové lasery IIPříklady, vlastnosti, aplikace

12.11.2012

Jaroslav [email protected]

Obsah

• Realizace používaných schémat– Laserové plazma

• Kompenzace refrakce

• Srážkově ionizované lasery (pevný terč)

• OFI lasery (plynný terč)

– Kapilární výboj

• Hybridní zdroje– Zesilování vysokých harmonických v laserovém plazmatu

• Generace vysokých harmonických

• Vlastnosti záření RTGL • Aplikace RTGL

2

Kompenzace refrakce XUV zářenípro efektivní dosažení saturace při použití pevných terčů

• Zakřivený terč

• Zesílení dvěma průchody– polokavitou (multivrstvé zrcadlo - po výstřelu zničeno)– použití dvou terčů

Daido H. Review of soft x-ray laser researches and developments, Rep. Prog.

Phys. 65 (2002) 1513–1576.

3

Čerpáním pod klouzavým úhlem zvýšení efektivity čerpání grazing incinednce pumping (GRIP)

4

Ne-podobný Zn laser na PALS

• Interakce lineárně fokusovaného svazku jodového laseru (1315nm, 300ps) s pevným terčem (dlouhým 3cm)

• Využití techniky prepulsu (prepuls: 4cm×700µm, 2J; po 10ns hlavní puls: 4cm ×150µm, 600J)

– účinnější absorpce hlavního čerpacího pulsu– vyšší homogenita plazmatu (profil el. hustoty v oblasti zisku nižší refrakce

účinnější zesílení)

• Využití polokavity – dvouprůchodové zesílení (umožněno “dlouhou” dobou trvání zisku – kvazi-stacionární schéma)

Superpozice snímků plazmatu vytvořeného prepulsem a hlavním pulsem

3cm

5


• Energie 4-10mJ @ 21.2nm (přechod 3p-3s )• Délka pulsu 150ps• divergence svazku 3.5×5.5mrad

6


7

Niklu-podobná schémata

J. Rocca, Colo. State U. http://euverc.colostate.edu

• Často velmi krátká doba zisku – Transientní sch.

je třeba prostorové synchronizace čerpání s oblastí zisku

– Postupná vlna• Schodové zrcadlo• Naklonění mřížky kompresoru

– Podélné čerpání (plynný terč)– GRIP (viz výše)

8

9

Rentgenové lasery na principu ionizace optickým polem (OFI)

• Ionizace plynu do příslušného stavu (např. niklu podobný krypton Kr+8)

většinou tunelováním a potlačením potenciálové bariery atomu.• Srážková excitace - excitace iontů na horní laserovou hladinu srážkami

elektronů (kruhová polarizace pulsu).

Distribuce energie volných elektronů bezprostředně po interakci intenzivního (1017 Wcm-2) laserového pulsu s Kr plynem. [F. Tissandier, dizertační práce 2011]

10

(lineární p.)

(kruhová p.)

Rentgenové lasery na principu ionizace optickým polem

• Používaná schémata:

B. E. Lemoff et al., Opt. Lett., 19, 569 (1994)

11


• Je třeba laserů s vysokým špičkovým výkonem (I ≥ 1016 W cm-2)

(CPA)

12Obr. Intenzita kruhově polarizované EM vlny potřebná pro ionizaci na iontový stav Z mechanismem potlačením pot. bariéry.


• Je třeba laserů s vysokým špičkovým výkonem (I ≥ 1016 W cm-2)

• Plynné médium možné podélné čerpání lokální synchronizace čerpání s oblastí zisku

• Velikost oblasti zisku je dána fokální geometrií + prostředím– zefektivnění použitím technik vedení svazku (plazmatický kanál, kapilára)

M.-C. Chou et al.,

Phys Rev. Lett. 99, 063904 (2007)

13

RTGL vytvořený kapilárním výbojem

• Pinč: Rychlý proudový puls stlačí (Lorentzova síla: J×B) a ohřeje plamza– Předionizační puls (~10A, ~5µs)– Rychlý silný puls (I ≥ 20kA, ≤ 200ns)

• Nejúspěšnější: Ne-podobný Ar (Ar+8) na 46.9 nm – srážkově excitační schéma - řada aplikací

• Kombinace výboje a laserového pulsuVhodný profil elektronové hustoty

(refrakce – gradientní vlnovod)

14

Generace vysokých harmonických frekvencí

• Interakce lineárně polarizovaného intenzivního laserového pulsu s látkou (valenčním elektronem)

• Tříkrokový model: – ionizace– akcelerace e-

– rekombinace

P. B. Corkum, Phys. Rev. Lett., 71, 1994 (1993)15


Kvazi-monochromatické záření + centro-symetrické prostředí

→ pouze liché harmonické

Mikroskopická analýzapravděpodobnost atomární odezvy

Makroskopická analýzaabsorpce, rozfázování,

rozfokusování

ppcutoff UIE 17.3

16

Elektronová hustota x,t)|2 http://www.orc.soton.ac.uk/xray.html


• Většina optických vlastností harmonického svazku je dána čerpacím pulsem

– Slet krátkých XUV pulsů – řádově stejné délky jako čerpací puls (~100 fs)

• při vhodném sfázování jednotlivých harmonických – shluk attosekundových pulsů, popř. jeden puls

– koherence, vlnoplocha – závisí také na prostředí (profil n(ne) )

– možnost jemného doladění vlnových délek harmonických změnou chirpu pulsu (rozladění kompresoru - technika CPA)

– účinnost generace < 10-4

17

Zesilování vysokých harmonických v laserovém plazmatu

• Vytvoření „laserového řetězce“ (MOPA) v oblasti XUV

• Zdroj koherentního XUV záření s kvalitními optickým vlastnostmi

Oscilátor Zesilovač

vysoká optická kvalita svazku (vlnoplocha, koherence, divergence, délka pulsu)

ENERGIE

HHG RTG laser

18


Ph. Zeitoun et al., Nature 431, 466 (2004)

25. harmonická Ti: S laseru + Ni-podobný krypton, =32.8nm

19. harmonická + Pd-podobný xenon, =41.8nm19


Y. Wang, et al., Nature Photonics 2, p. 98 (2008)

25. harmonická Ti: safíru + Ne-podobný titan, =32.6nm

43. harmonická + Ni-podobný molybden, =18.9nm

59. harmonická + Ni-podobné stříbro, =13.9nm

59. harmonická + Ni-podobné kadmium, =13.2nm 20

Vlastnosti záření RTGL

• Monochromatičnost ~10-3-10-4

– Převahuje nehomogenní rozšíření spektrální čáry - Dopplerovské rozšíření (hlavní roli hraje iontová teplota)

• Koherence– Podélná: souvisí do značné míry se šířkou spektrální čáry

– Příčná: u režimu zesílené spontánní emise je poměrně nízká van Cittert-Zernikův teorém:

pro -korelovaný zdroj můžeme definovat velikost koherentní oblasti tak, že stupeň koherence klesne na ½ na vzdálenosti (L - vzdálenost od zdroje, S – plocha zdroje):

• Divergence: dána především geometrií aktivního prostředí (oblastí zisku) a refrakcí plazmatu

M

Tk

ciB

FWHM

2ln22

S

Lxcoh 35.0

2

2

cohl

21

Vlastnosti záření RTGLpříčná koherence – Youngův dvouštěrbinový experiment

22

Některé aplikace rentgenových laserů

μm

101.1cm

2

213

cn

Df

2

www.fzu.cz/departments/xraylaser

• Zkoumání hustého plazmatu (interferometrie, deflektometrie, back-lighting)

kritická hustota pro danou vlnovou délku:

• Mikroskopie s rozlišením pod 50nm– nejmenší rozlišitelná struktura má periodu– f ohnisková vzdálenost, D průměr optiky

(Difraktivní optika na 13.9nm (Ni-podobné Ag) J. Rocca, Colorado State University)

• Studium povrchu materiálupři totálním odrazu pronikne záření (evanescentní vlna) jen do hloubky ~

23

Literatura

• Knihy– Jaeglé P. Coherent Sources of X-UV Radiation: Soft X-Ray Lasers and High-Order Harmonic Generation. USA : Springer, 2006.

416 s. Springer series in optical sciences; sv. 106. ISBN 0342-4111.– Attwood D. Soft X-Rays and Extreme Ultraviolet Radiation Lectures available on www.coe.berkeley.edu/AST/sxreuv

• Souhrnné články– Daido H. Review of soft x-ray laser researches and developments. Rep. Prog. Phys. 65 (2002) 1513–1576.– Rocca J. J. Table-top soft x-ray lasers, Rev. Sci. Instrum. 70, 3799 (1999);– Tallents G. The physics of soft x-ray lasers pumped by electron collisions in laser plasmas, J. Phys. D: Appl. Phys. 36, p.259

(2003)

web• http://www.eli-beams.eu

• http://euverc.colostate.edu/

• http://loa.ensta.fr/

• https://www.llnl.gov/str/Dunn.html

• http://www.mbi-berlin.de/de/research/projects/2-01/subprojects/UP2/1.05/index.html

• http://www.york.ac.uk/physics/people/academic/tallents/l11809/

24

Documents

FBMI ČVUT