Fyzika a aplikace interakcí intenzivních femtosekundových laserových impulsů

Transkript

1 Fakultní kolokvium FJFI ČVUT 26. října 2011 Fyzika a aplikace interakcí intenzivních femtosekundových laserových impulsů J. Limpouch České vysoké učení technické v Praze, Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská, katedra fyzikální elektroniky

2 Obsah Vývoj intenzity laserového záření Princip zesilování femtosekundových impulsů Výkonové fs lasery, projekt ELI Ionizace optickým polem Generace vysokých harmonických, attosekundové impulsy K-α záření a rtg. difrakce s vysokým časovým rozlišením Urychlování elektronů, zdroje XUV a rtg. záření Urychlování iontů (protonů) Protonová deflektometrie, jaderné reakce Generace pozitronů Extrémní intenzity a nelineární QED

3 Vývoj intenzity laserového záření dnes 1 PeV Kvarková éra 1 TeV Pozitronelektronová éra 1 MeV Plazmová éra 1 ev Atomová éra Plná čára - vývoj intenzity dosažitelné fokuzací svazku o průřezu 1 cm 2, čárkovaná čára - intenzita dosažitelná zvětšením průřezu laserového svazku Limity při I L = W/cm 2 je elektrické pole rovné poli působícímu na elektron v atomu vodíku ( V/m) I L λ 2 = W/cm 2 μm 2 relativistická intenzita hybnost oscilujícího elektronu = m e c, amplituda a 0 = ee L /m e ωc 2 relativistic γ = 1+ a 0 Schwingerův limit - průraz vakua = tvorba párů elektronpozitron - I L = W/cm 2 (tunelování I L ~ W/cm 2 )

4 CPA = Chirped Pulse Amplification D. Strickland, G. Mourou 1985 zesilování čirpovaného pulsu mřížka Carrier : ω=ω 0 +βt mřížka Mřížky způsobí zpoždění závislé na frekvenci čirp = lineární změna frekvence, dω/dt = β (zde β <0) 100 fs STRETCHER kladný čirp čirpovaný výkonový laser na Nd:skle Minimální délka laserového pulsu: τ 1/Δν = 1/(2.5 THz) 400 fs KOMPRESOR záporný čirp ~400 fs 500 ps výkonový zesilovač kratší pulsy Titan-safírový laser - (λ 790 nm) - Δν=100 THz (Δν/ν= 0.1) minimální délka pulsu ~ 5 fs ~ 2 periody (obvykle u výkonových 30 fs)

5 OPCPA = Optical Parametric CPA Novější metoda generace femtosekundových impulsů - kombinace parametrického zesilování (OPA) a zesilování čirpovaného impulsu (CPA) Poprvé demonstrovaná v Litvě (Piskarkas et al., 1991), dále rozvíjena v RAL, UK I. Ross, P. Matoušek (absolvent KFE FJFI, fellow of RSC) OPA Čerpací vlna (pump) + signál se směšují na idler ω i =ω p -ω s ω pump ω signal e.g. BBO, LBO, KDP ω idler ω signal ω p = ω s + ω i jak signál tak i idler získávají energii (idler se využívá pro IČ λ 2 μm; 4 μm) OPA + CPA ω pump ω signal e.g. BBO, LBO, KDP ω idler ω signal velmi široké frekvenční pásmo (Δν 100 THz τ 10 fs) λ pump a λ signal jsou nezávislé žádná energie se neukladá v OPA mediu velmi kvaliní výstupní svazek KDP: lze velký krystal pro velké výkony

6 Titan-safírové lasery Malé fs lasery T 3 (table-top TW) Velký Ti:safírový fs laser 2x0.5 PW (RAL, UK) Lasery do 1 TW se vejdou na laboratorní stůl vlevo 0.1 TW / 10 Hz laser na KFE FJFI 3 krabice 120 x 60 cm, 2 zdroje pod stolem Lasery až 1 TW/1 khz, 10 TW/10 Hz či 100 TW/0.1 Hz Vpravo laserová místnost laseru Astra Gemini v RAL, UK, 2 svazky po 0.5 PW/ 0.05 Hz + lab. Astra + místnost napájení + lab. interakce

7 Fs neodymové lasery Petawatt laser 1 svazek laseru NOVA LLNL, 680 J/600 fs, 1x za 8 hodin, rok 1999 (rozebrán 2001) VULCAN petawatt RAL, UK, 500 J/500 fs FIREX-I Osaka, Japonsko, 4 svazky po 1 PW NIF 1 quad (4 svazky) plán fs pulsu (ARC advanced radiografic capability) Petal 1 PW quad, původně plán u laseru LIL, teď u LMJ Francie Projekt VULCAN 10 PW OPCPA čerpání Ti:safírového laseru energií laseru VULCAN pozastaven kvůli vládním škrtům Projekt HiPER přípravná fáze, rychlé zapálení inerciální fúze Laser NOVA Kompresor PW svazku laseru VULCAN

8 Extreme Light Infrastructure Evropský projekt (ESFRI) cílem použití extrémně výkonných laserů pro materiálový a fyzikální výzkum 4 pilíře ELI Beamlines Facility zdroje záření a částic Dolní Břežany (u Prahy), ČR, investice 270 M ELI Attosecond Physics Szeged, Maďarsko ELI Nuclear Physics Rumunsko ELI Extreme Physics rozhodnutí odloženo ERIC European Research Infrastructure Consortium nový typ Evropské právnické osoby

9 Schéma laboratoře ELI Beamlines Facility

10 Laser ELI-Beamlines Přesněji Dr. G. Korn, Kolokvium 9. listopadu kj/130 fs nebo 300J/30 fs Inovované schéma laseru obsahuje i svazek o vysoké energii 1.5 kj v 130 fs (případně 300 J/30 fs = 10 PW)

11 Ionizace optickým polem U ns laserových impulsů je rozhodujícím mechanismem srážková ionizace prostředí U fs laserových impulsů je podstatná ionizace optickým polem Energie fotonu hν << U i - 3 režimy mnohofotonová ionizace, tunelová ionizace, nadbariérová ionizace Keldyšův parametr K = U i /2U p, ponderomotorický potenciál U p = E osc = (ee 0 ) 2 /(4m e ω 2 ) Malé pole K>>1 mnohofotonová ionizace, velká pole K<<1 tunelová ionizace velmi rychlá Nadbariérová ionizace důležitá jen u impulsů < 10 fs Lineární (LP) polarizace elektron s E << U p, kruhová (CP) E ~ U p Schéma hladin atomu (iontu) (a) bez vnějšího pole (b) s elektrickým polem laseru - tunelová ionizace a nadbariérová (BSI) ionizace

12 Zdroje XUV záření - HHG Generace vysokých harmonických frekvencí v plynu (1992) proces o 3 krocích tunelová ionizace, urychlení volného elektronu a zpětná rekombinace při nárazu elektronu na iont Nefunguje pro kruhovou (CP) polarizaci nulová pravděpodobnost návratu elektronu k iontu, optimální lineární (LP) polarizace Maximální energie elektronu při srážce s iontem je 3.17 U p a tedy hω max = I p U p = I p I 14 λ μ2 [ev] (I 14 v W/cm 2, λ μ v μm ) Vzhledem k symetrii problému jsou vyzařovány jen liché harmonické Harmonické jsou koherentní synchronizované navzájem

13 Attosekundová fyzika Výběrem určité spektrální oblasti (frekvenčním filtrem) je generována posloupnost (train) attosekundových impulsů Pro jednotlivý attosekundový impuls je potřeba velmi krátký laserový puls (standardně ~ 2 periody) Fáze vlny musí být sychronizována s obálkou (CEP stabilizace) ELI attosecond physics plánována Maďarsko, Szegéd

14 Generace K-α záření K-α záření vzniká při zaplnění vakance (vytvořené např. srážkou s elektronem) ve vnitřní K-slupce elektronového obalu atomu elektronem z L-slupky ~200 fs X-ray impuls J. Limpouch et al., LPB 22 (2004), příklad pro W/cm 2, 120 fs, NTT BRL Japonsko

15 Ultrarychlá rentgenová difrakce Sub-ps rtg. impuls Schéma excitačně-sondovacího (pump-probe) měření rentgenovou difrakcí Vlevo snímek z první publikace z UCSD - C.W. Siders et al., Science 268 (1999), 1340 rozlišení 5 ps/5μm (Cu K-α dublet) Nejlepší časové rozlišení - < 250 fs netermální tavení krystalu Díky možné khz opakovací frekvenci laseru lze i vratné změny

16 Urychlování elektronů Laserový svazek Elektronový svazek Nejběžnější wakefield urychlování (wake brázda vln za lodí) nutné relativistické intenzity První návrh T. Tajima, J.M. Dawson 1979 Urychlující elektrické pole 200 GV/m - v porovnání s 20 MV/m v konvenčních radiofrekvenčních urychlovačích - takže 1 m místo 10 km - CERN na stole Je možná větší hustota proudu, kratší puls Wakefield urychlovač Když se krátký laserový puls šíří v řídkém (podkritickém) plazmatu, elektrony jsou posunuty ponderomotorickou silou od iontů a tak po průchodu laserového pulsu zůstává silná podélná plazmová vlna, elektrony letící rychlostí blízkou fázové rychlosti plazmové vlny jsou urychlovány podélným elektrickým polem

17 Monoenergetické elektronové svazky Urychlovací délka zvětšení samokanálováním laserového pulsu nebo externě například vedením v kapiláře Velmi dobré směrové charakteristiky, původně široké energetické spektrum Průlom bublinový (bubble) režim (předpovězený v 3D částicovými PIC simulacemi A. Pukhov) Nature 2004 Dream Beams - 3 nezávislé skupiny experimentálně vytvořily kvazimonoenergetické elektronové svazky urychlené laserem Dnes až ~1 GeV, rozptyl energie ~ 1%, > 10 nc, emittance π mm mrad, shluk (bunch) < 10 fs Nahoře schéma urychlování v bublině Uprostřed hustota elektronů 3D částicová simulace Dole vypočtené (zeleně) a naměřené (modře) spektrum urychlených elektronů - Laser 1J, W/cm 2, 30 fs, plynová tryska He, 20 nc v oblasti 170±20 MeV

18 Vizualizace laserové brázdy (wake) Holografie ve frekvenční doméně Donget al Ve směru průchodu čerpacího pulsu procházejí 2 čirpované pulsy referenční a se zpožděním Δτ shodný sondovací, na spektrometru vzniká síť proužků s rozestupem Δν = 1/Δτ, generace wake čerpacím pulsem způsobí deformaci proužků

19 Stolní laser na volných elektronech (laserem urychlených) Elektrony 5 pc Modrá spektrum urychlených elektronů, červená odezva magnet. čoček, zelená elektrony v undulátoru První experiment laser v XUV oblasti, 2009, M. Fuchs et al., Nature Phys. V budoucnu (ELI?) elektrony 2 GeV, 1 nc FEL s 5 kev fotony, 5 fs rentgenový impuls, ~ fotonů, špičkový jas ph/(s mm² mrad² 0.1% bw)

20 Stolní synchrotronový rtg. zdroj Elektrony v bublině kmitají i napříč betatronové oscilace Přímo v bublinovém režimu tedy vzniká wiggler Je vyzařováno prostorově koherentní tvrdé rentgenové záření se širokým spektrem Spektrum rentgenového záření pro laser 2 J, 30 fs fokuzovaný na plynovou trysku He produkující elektronový svazek 200 pc, 200 MeV, vpravo simulace bubliny a pohybu elektronů v ní, dole rentgenový snímek 20 μm Ag folie z 1 výstřelu rozlišení 3 μm

21 Zvýšení frekvence a intensity relativistickým plazmovým zrcadlem Návrh S.V. Bulanov et al., Phys. Rev. Lett. 91 (2003) Exp. - M. Kando et al., PRL 103 (2009) Wakefield jako fokusující plazmové zrcadlo

22 Urychlování iontů Pro urychlování iontů se většinou používají terče o hustotě pevné fáze Nejčastěji tenké folie, ale také mikrokapky, malé časti fólie, klastry apod. Vlevo princip TNSA (target normal sheath acceleration) urychlování kolmo k terči v elektrické dvojvrstvě intenzivní lineárně polarizované záření generuje na přední straně fólie rychlé elektrony, které proletí do vakua na zadní straně folie a vytváří silné elektrostatické pole urychlující ionty (protony) Vpravo urychlování radiačním tlakem družice hnaná tlakem záření slunce Projekt družice LightSail 1

23 Lineární x kruhová polarizace záření Lineární polarizace (LP) Kruhová polarizace (CP) 1D3V PIC simulace, 1, W/cm 2, λ = 0,8 μm, délka na ½ maxima 100 fs (= 37,5τ), max. v 40τ, kolmý dopad, 32 nm fólie, C 6+, iontová hustota 3, cm -3 O. Klimo, J. Psikal, J. Limpouch, V.T. Tikhonchuk, Phys. Rev. ST-Accel.&Beams 11 (2008) U CP chybí 2ω 0 komponenta ponderomotorické síly LP elektrony až 10 MeV vedou k expanzi fólie až k transparentnosti CP elektrony do 0,5 MeV, fólie urychlována jako celek

24 Urychlování radiačním tlakem Generace monoenergetických iontových svazků CP laserem simulace 3 skupiny 2008 Robinson et al. (UK), Klimo et al., Phys. Rev. ST- AB, 108 citací ve WoS a Yan et al. (Čína) Folie musí být tenká (~ 10 nm), a tedy kontrast laseru velký (2x plazmové zrcadlo) Všechny ionty urychlovány na stejnou rychlost (výhodné pro těžší ionty) Energie iontů E ion ~(I L τ) 2, tedy velké I L výhodou, účinnost - η =2β/(1+β) 1 pro v c Problém okraje laserového svazku Experiment obtížný částečný úspěch Henig et al. 2009, MBI Berlín, 5x10 19 W/cm 2, 45 fs, k>10 11, 5.3 nm DLC fólie Monoenergetický svazek

25 Urychlování iontů -TNSA Libovolný terč - jsou urychlovány především protony z nečistot na povrchu terče, protože proton má největší q/m (náboj na jednotku hmoty) Široké spektrum s maximální energií, max. energie protonů 60 MeV (2000) nedávno 75 MeV, max. energie ~I L 1/2 Úhlový rozptyl klesá s energií (0.004 mm mrad), malá účinnost urychlování do nejvyšších energií (~10-4 ) Monoenergetické spektrum 2 skupiny Nature 2006 Schwoerer (Jena) PMMA tečka ( ,5 μm) na zadní straně fólie, W/cm 2, 80 fs

26 Zvýšení účinnosti TNSA Terče s omezenou hmotou Experiment kousky Au fólie 2 μm s proměnnou plochou, 350 fs, λ=529 nm, I L = W/cm 2, 6 μm, 45 S. Buffechoux, J. Psikal et al., Phys.Rev.Lett constant thickness variable surface (a) RCF with hole Magnetic spectrometer Terče s nanostrukturou na povrchu zvýší absorpci Simulace a návrh terčů O. Klimo et al., New J. Phys Terče příprava KFE FJFI (J. Proška) Exp. Probíhají v GIST, Korea a čas přidělen v CEA, Saclay 2012 laser 15 Au 2 µm thick Au 2 µm thick + 10 µm thick 0.1 n c nanofoam upfront 10 5 (b) Surface (mm²) Au 2 µm thick Au 2 µm thick + 10 µm thick 0.1 n c nanocloth upfront Surface (mm²) 1 10 Monovrstva nanokuliček 900 a 266 nm na 0.1 μm fólii Simulace závislost max. energie protonů a účinnosti urychlení na poloměru kuliček

27 Protonová deflektometrie Elektrická a magnetická pole v plazmatu jsou detegována pomocí laserem urychlených protonů s rozlišením ~1 ps, 1 μm (M. Borghesi, QUB) V dané desce protony o dané energii a tedy s daným zpožděním

28 Aplikace urychlených iontů Generace horké husté hmoty (Warm Dense Matter) a její výzkum Studium brždění iontů v hustém plazmatu Intenzivní zdroj pro materiálový a biologický výzkum Příprava radioizotopů pro PET, jaderná fyzika Hadronová terapie v onkologii (extrémní nároky na iontový svazek) Neutronový bodový zdroj >10 9 s -1 Příprava PET izotopu 11 C laserem

29 Generace pozitronů Bethe-Heitlerův proces γ-fotony brzdného záření generují při srážce s těžkým jádrem elektron-pozitronový pár Trojný (trident) proces elektron-pozitronový pár je generován přímo při srážce elektronu s Coulombovým polem těžkého jádra Schéma Bethe-Heitlerova procesu Elektronové a pozitronové spektrum při interakci 1 ps impulsu o intenzitě W/cm 2 s ~mm tlustým Au terčem (laser Titan, LLNL), hustota pozitronů cm -3 (ELI cm -3 )

30 Extrémní intenzity a NL QED NL rozptyl fotonu na fotonu 1997 generace párů při interakci 46 GeV e - svazku SLAC s TW laserem inverzní Comptonův rozptyl + reakce γ + n ν L e - + e + Radiační útlum (I L > W/cm 2 ) oscilace elektronů v poli laseru tlumeny vyzařováním LAD rovnice (Landau- Lifšicova) rovnice Dvojlomnost vakua v přítomnosti magnetického pole se lineární polarizace změní na eliptickou ( T) 4-vlnová interkce ve vakuu Generace Unruhova záření Prověrka existence hypotetických částic axionů (v magnetickém poli se fotony mění na axiony, ty projdou tlustou vrstvou a změní se na registrovatelné fotony)

31 Závěr Intenzivní femtosekundové lasery otevírají nové možnosti pro fyzikální výzkum a aplikace Výstavba laboratoře ELI-Beamlines Facility je atraktivní příležitostí pro český výzkum a pro absolventy FJFI (kolokvium dr. G. Korn, FzÚ AV ČR) Děkuji za pozornost