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