Laserové a optické technologie ELI Beamlines
Daniel Kramerza ELI beamlines team
UPOL 22/2/12Projekt:
Výzkum a vývoj femtosekundových laserových systému a pokročilých optických technologií (CZ.1.07/2.3.00/20.0091)
Evropský Projekt ELI
ELI-ALPS, Hu ELI-ALPS, Hu
ELI-Beamlines, ELI-Beamlines, CzCz
Generace as pulzů XUV a rentgen. zářeníVysoce výkonné lasery s vysokou opakovací frekvencí – generace sekundárních zdrojů světla a nabitých částicELI-NP, Ro ELI-NP, Ro
High-intensityHigh-intensity developmentdevelopment
Jaderná fyzika s pomocí intenzivních laserů
Extrémně intenzivní lasery: Exawatt-class(Ještě není vybrána země, kde se bude stavět)
530 stránek – detailní popis cílů projektu, plánovaných technologií a strategií implementace ELI
ELI WHITE BOOK
PALS laser v Praze (1000 J/350 ps)
Výkonné laserové systémy ve světěVULCAN Laser (1 PW, 500 fs, 1054 nm )RAL STFC UK
Osaka PW module (1 PW, 500 fs/500J, 1053 nm )Osaka Uni, Japonsko
Texas Petawatt (1 PW, 185 J / 130 fs, 1054 nm )Uni. of Texas, USA
Budují se 10 PW systémy: VULCAN Upgrade, APPOLON (Francie)
GIST-APRI Petawatt (1 PW, 32 J / 30 fs, 800 nm )Jižní Korea
Obsah• Část 1: Obecný úvod
Na jakém principu lasery fungují? Elektromagnetické spektrum, konverze energií fotonů Generace fs pulzů a jejich zesilování
• Část 2: Hlavní technologie ELI beamlines Schéma laserů v budově ELI Technologie čerpacích laserů Front end technologie, synchronizace laserů Diagnostika pulzů Kompresory pulzů a transport svazků
• Část 3: Sekundární zdroje záření – experimentální zařízení Urychlování elektronů Urychlování protonů Generace rentgenového záření
Elektromagnetické spektrumFrekvence Vlnová
délkaEnergie v eV
3 EHz 100pm 12.4 keV
300 PHz 1 nm 1.24 keV
30 PHz 10 nm 124 eV
3 PHz 100 nm 12.4 eV
430 THz 700 nm 1.8 eV
300 THz 1 µm 1.24 eV
3 THz 100 µm 12.4 meV
30 MHz 10 m 124 neV
30 kHZ 10 km 124 peV
VID
ITEL
NÉ
SPEK
TRU
M
MĚKKÉ RENTGENOVÉ ZÁŘENÍ
TVRDÉ RENTGENOVÉ ZÁŘENÍ
GAMMA ZÁŘENÍ
104
[Hz]
108
1012
1015
1018
Frekvence
1020
RADIOVÉ VLNY
MIKROVLNNÉ ZÁŘENÍ
INFRAČEVENÉ ZÁŘENÍ
VIDITELNÉ SPEKTRUM
1016 UV ZÁŘENÍ
Částicový charakter EM záření – fotony kvanta světla s charakteristickou energií
Časová měřítka
Časové měřítko
Světlo uletí
Sekunda s 1 s 300 000 km
Milisekunda ms 0.001 s 300 km
Mikrosekunda µs 0.000001 s 300 m
Nanosekunda ns 0.000000001 s 30 cm
Pikosekunda ps 0.000000000001 s 0.3 mm
Femtosekunda fs 0.000000000000001 s 0.3 µm
Attosekunda as 0.000000000000000001 s 3 Å
Měření rychlých procesů
Pohyb elektronů
Chemické reakce
Rotace molekul
Jak funguje laser?
1) Aktivni prostředí1) Aktivni prostředí
E
Populace
E1
E3
E2
Boltzmanovo rozložení
E
Populace
E1
E3
E2
E
Populace
E1
E3
E2
Inverze populace
2) Čerpání
3) Zpětná vazba (oscilátor)
A21/B21~f3
Další triky jak změnit energii fotonu
Při průchodu intenzivního světla nelineárním prostředím (tj. prostředím kde dielektrická polarizace prostředí sleduje nelineárně el. pole světla)mohou být generovány nové frekvence. Podmínkou je pouze zachování energie a momentu hybnosti.
SFG SHG
Např. 1030 nm (IR) => 515 nm (zelená)
OPA
pum
p
sign
alid
ler
Širokopásmový zesilovač bez ukládání energie
Ultrakrátké pulzy
• Generují se laserovými oscilátory, které pracují v režimu synchronizace módů• Kratším pulzům odpovídá nutně větší šířka generovaného spektra, jelikož časový
průběh pulzu je svázán se spektrem pulzu Fourierovou transformací • Nejkratší pulzy generované přímo z laseru jsou okolo 5 fs (10-15s) – Ti:safír 800 nm• Kratších pulzů až řádově attosekund lze dosáhnout pomocí HHG v nelineárním
prostředí• Díky krátké době trvání lze dosáhnout po krátkou dobu neuvěřitelně vysokých
výkonů i při nízké energii v pulzu:
např. 10 mJ / 10 fs = 1TW (odpovídá asi 1000 x ) z laseru, který se vejde na větší stůl
V ELI – Beamlines se počítá s lasery o špičkových výkonech až 10 PW!
Základní technologie – CPA a OPCPA
Blokové schéma laseru
Thin diskYb:YAG Amp
OPCPA
com
presso
r
femtosecond
OscillatorTi:sapphire
Cryogenic
multislabYb:YAG
Cryogenic
multislabYb:YAG
com
presso
r
com
presso
r
Nd:YAG
com
presso
r
Ti:sapph
Ti:sapph
RT Multislab
Nd:Glass Ti:sapphire
Výbojkově čerpané kombinované
Nd:sklo
Výbojkově čerpané kombinované
Nd:sklo
Diodové čerpanéMultideskové
Nd:sklo
Diodové čerpanéMultideskové
Nd:sklo
Diodové čerpanéMultideskové
Yb:YAG
Diodové čerpanéMultideskové
Yb:YAG
Diodově čerpané tenké disky
Yb:YAG
Diodově čerpané tenké disky
Yb:YAG
Nové technologie – tenké disky
Parametry diskutlouštka: 100 - 900 µm
průměr: 10 - 35 mm
Thomas Metzger, MPQ
Umožňují kHz opakovací frekvence i vysoké energieL1 čerpací lasery pro systémy L1 potřebvují dosáhnout až 1.5 J/pulse při 1kHz opakovací frekvenci a 2 ps obě trvání pulzu.
Nové technologie – tenké disky
Výhody tenkého disku• účinné chlazení (<1 mm tloušťka)
• téměř nedochází ke vzniku tepelné čočky
• je možné použít vysokou intenzitu čerpání (10 kW/cm2)
• výkon lze zvyšovat zvětšením velikosti svazku (d2)
•Nevýhodou je nízký zisk na 1 průchod
cooling
water
Heatsink (Cu, diamond) + mounting
Yb:YAG disc
AR coatingHR coating
Thin disk :Pump laser 1030 nm
Regenerativní zesilovač (150 průchodů tenkým diskem)
Víceprůchodový zesilovač (20 průchodů)
M² < 1.1
Metzger et al. Opt. Lett. 34, 2123 (2009) @ 25 mJ; 3 kHz
Nové technologie – multideskové kryogenně chlazené zesilovače
Parametry zesilovače
• 2 zesilovače v každém z nich 8 disků (Yb:YAG)
• kryogenické chlazení160 K
• Yb:YAG/(glass) čerpaná oblast E1
• Cr:YAG 30 mm absorpční oblast E2
(k potlačení ASE)
Courtesy K. Ertel and J. Collier (RAL/STFC)
Technologie vyvíjená v Anglii RAL/STFC umožnující generaci až 100 J v pulzu při vysoké opakovací frekvenci 10Hz (délka pulzu 2ns)
Nové technologie – multideskové kryogenně chlazené zesilovače
L2 & L3: L2 & L3: čerpací laser čerpací laser
Development of cryogenic Yb:YAG amplifier technology at RAL/STFC essential for ELI-BeamlinesPodobná technologie byla demonstrována i v LLNL: 60 J/10 Hz Mercury laser ELI-Beamlines: cooperation on development of Yb:YAG technology
Cryostat
Transferlines
Amplifierhead
Helium cooling circuit
Study of layout of a Yb:YAG 100 J system for ELI-Beamlines and HiLASE According to RAL/STFC (courtesy of K. Ertel and J. Collier)
Model zesílení v prog. MIRO
In
Out
Courtesy of M. Divoký, HiLASE
Při vhodném časovém průběhu vstupního svazku dosaženo •Top Hat profilu na výstupu a •maximalizace výkonu
Out
Difrakční efekty však mohou svazek poškodit. Pokud není zvolena správná prostorová filtrace, dojde k oscilacím
Nové technologie – kombinace Nd:skelAktivní medium – kombinace Nd:skel : vysoká energie a šířka pásma odpovídající <130 fs *
* ELI - Extreme Light Infrastructure White Book: Science and Technology with Ultra-Intense Lasers edited by G. Mourou, G. Korn, W. Sandner and J. Collier (2011)
Texas Petawatt laser:185 J / 130 fs – scalable -> 1900 J /130 fs
• Ideální délka pulzu a energie na urychlování elektronůIdeální délka pulzu a energie na urychlování elektronů• Laser lze později použít jako čerpací pro OPCPA širokopásmového zesilovače
Front end a synchronizace všech laserových systémů (beamlines)
Aby jednotlivé fs lasery (beamlines) fungovaly je třeba přesné synchronizace
Běžná elektronická signalizace (ns) zdaleka nestačíLimit sofistikované elektronické synchronizace 10 ps (mimochodem také využívající laser)Přesnější synchronizace možná pouze opticky distribucí a zesilováním laserových pulzů (tzv. Seed pulzů)
Front end a synchronizace všech laserových systémů (beamlines)
Různé technologie - různá aktivní prostředí:Yb:YAG (1030 nm), Nd:glass (1055 nn, 1065 nm), Nd:YAG (1064 nm), Ti:safír (800 nm), pro OPCPA v LBO (900 nm)
Co je unikátní na projektu ELI Beamlines je, že budeme mít v jedné budově několik výkonných fs laserů s odlišnými parametry. Toho bychom chtěli maximálně využít a dosáhnout i vzájemné časové synchronizace mezi všemi lasery v budově a to na úrovni až desítek fs v experimentálních halách.
L1
L2
L4
L4
OMO240 MHz
100 fs
RF reference
Common front end
for L1.1,1.22.1 (2.2)
Local front endL2.2
Local front endL4.1&L4.2
Stab
ilize
d op
t. lin
k
Stab
liliz
ed o
pt. l
ink
Stab
ilize
d op
t. lin
k
Local front endL3.1
Vzájemná synchronizace laserových oscilátorů
fs synchronizace lze dosáhnout pouze opticky pomocí optických cross-korelátorů
JUNGWON KIM, JONATHAN A. COX, JIAN CHEN AND FRANZ X. KAERTNERnature photonics | VOL 2 |DECEMBER 2008
Integrovaná časová odchylka 0.4 fs rms
Distribuce optických hodin
JUNGWON KIM, JONATHAN A. COX, JIAN CHEN AND FRANZ X. KAERTNERnature photonics | VOL 2 |DECEMBER 2008
Stabilizované optické vlákno.
Existují i komerční řešení
Kompresory pulzů
• Pulz je roztažen v čase (~ns)
• Dlouhá vlnová délka přichází jako první (“červená”)
Pro časovou komprimaci pulzu musí “červená” projít delší dráhu než “modrá”
Kompresory pulzů
• Hranolové• Vláknové• Chirpovaná zrcadla• Difrakční mřížky
Pro vysokovýkonné systémy (v reflexním módu)
Kompresory pulzů
• Příklad symetrického kompresoru se 4 mřížkami
• „modrá“ má nejkratší dráhu -> „doběhne“ zelenou
• „červená“má nejdelší dráhu -> zpomalí se
Kompresory pulzů pro 1-2PW
Koncepční návrh kompresorů (zhruba 2ns chirpované pulsy)Kompresory umístěny na konci zesilovacího řetězcePlné zobrazování vlnoplochy: OPCPA -> poslední mřížka-> experimentální haly
Zesilovač OPCPA
Transportní teleskop
Mřížky kompresoru
Systém distribuce svazků
P e t z v a l . z m xC o n f i g u r a t i o n 1 o f 1
W a v e f r o n t F u n c t i o nP E T Z V A L L E N S9 . 1 . 2 0 1 20 . 5 8 7 6 µ m a t - 4 . 0 0 0 0 ( d e g )P e a k t o v a l l e y = 5 . 3 8 2 3 w a v e s , R M S = 1 . 4 6 8 6 w a v e s .S u r f a c e : I m a g eE x i t P u p i l D i a m e t e r : 3 . 5 3 5 8 E + 0 0 1 M i l l i m e t e r s
Senzor vlnoplochyShack-Hartmann
CCDPole čočekVlnoplocha
Rovinná vlnoplocha – ideální případ
Vlnoplocha s aberacemi
Příklad rekonstrukce
Adaptivní optika• Aberace svazku možno
korigovat adaptivní optikou (jako v astronomii)
• Po změření vlnoplochy se aplikuje korekce na deformovatelné zrcadlo
Základní typy aberací
Prostorový filtr• Ideální tenká čočka zobrazí
rovinnou vlnu do kruhu o průměru (1.27*λ*f)/D (Airy disc)
• Části vlnoplochy s aberacemi se zobrazí mimo střed – možnost filtrace
• Filtrací se ztrácí část energie
Většinou se používá 1.5 x spot size pro velikost otvoru
Měření délky pulzu
• ns– foto dioda (až do ~20ps)
• ps– Streak kamera
• fs– autokorelátor– SPIDER (Spectral Phase Interferometry For Direct
Electric-field Reconstruction)– FROG (Frequency-Resolved Optical Gating)
Courtesy of MPQ
Difrakční efekty
• Velká důležitost prostorového tvaru pulzu
• Riziko překročení meze poškození optiky
• Nečistoty v cestě laseru dalším zdrojem difrakčních jevů G=50, 100m
transport
G=20, 20m transport
Super-Gaussovský profil
Práh poškození pro krátké i dlouhé pulsy
• Parametry pro fs LDT nezávisí na vlastnostech materiálu
• Závisí pouze na Eg
(šířka zak. pásu)
• Pro běžné opt. povrchy, exponent = 0.33±0.03
20ps .. 50ns
Eg = 4eV
*Physical Review B71(2005) Stitching between the scalings is arbitrarily put to 2ps
Struktura budovy
Monolitická struktura (laserové a experimentální prostory) – vibrační model
Podpůrné technologie (air conditioning, vakuové pumpy, etc.) & vedlejší laboratořeVibrační analýza brala v úvahu data naměřená v místě stavby
Distribuce laserových svazků
• V konečné fázi výstavby je většina svazků dovedena do všech exp. místností
• Ultrakrátké pulzy vyžadují vysoké vakuum
• V uzlových bodech použita otočná (vícepolohová) zrcadla
Cassegrain systém pro přenos femtosekundových pulzů
• Úvodní inženýrský návrh teleskopu
• 2 svazky přenášeny jedním systémem
• Optika vibračně oddělena od vakuových komor
Distribuce laserových svazků
Umístění laserů v budově
PřízemíLaserové haly(L1 – L4)
1.patro10 PW laser L4Podpůrné technologie, kryogenika a chlazení
PodzemíKompresorová hala pro 10-PW lasery distribuce svazků ve vakuu 6 specializovaných experimentálních hal
ELI beamlines: výzkumné programy
I. Repetiční laserové systémy s ultrakrátkými pulzy a více-petawattové systémy
II. Ultrakrátké repetiční rentgenové zdroje záření
III. Urychlování částic pomocí laserů
IV. Aplikace v materiálovém, biomedicínském a molekulárním výzkumu
V. Laserové plasma a fyzika vysokých hustot energie
VI. Fyzika a teorie intenzivních polí
E1 E2 E5
E5 E6
E1 E2 E5
E3 t
E4
Exp. Haly:
Potenciální aplikace, transfer technologií• Urychlovače (nové a kompaktní přístupy, e.g. kompaktní FEL)• Časově rozlišené pump-probe experimenty (fůzní plazma, warm
dense matter, laboratorní astrofyzika, apod.)• Medicína (hadronová terapie a tomografie nádorů)• Bio-chemie (dynamika rychlých přechodových jevů)• Bezpečnost (nedestruktivní inspekce materiálů)
Unikátní vlastnosti centra• relativistické ultrakrátké a synchronizované svazky částic, laserů a
rentgenových fotonů o velkých intenzitách• Vysoké opakovací frekvence• Unikátní rozsah energií• Vysoký jas a briliance• Výborná stabilita mezi pulzy (diodové čerpání a tenké disky)
Cílové aplikace
Děkuji za pozornost