Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Laserové a optické technologie ELI Beamlines Daniel Kramer za ELI beamlines team UPOL 22/2/12 Projekt: Výzkum a vývoj femtosekundových laserových systému.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Laserové a optické technologie ELI Beamlines Daniel Kramer za ELI beamlines team UPOL 22/2/12 Projekt: Výzkum a vývoj femtosekundových laserových systému."— Transkript prezentace:

1 Laserové a optické technologie ELI Beamlines Daniel Kramer za ELI beamlines team UPOL 22/2/12 Projekt: Výzkum a vývoj femtosekundových laserových systému a pokročilých optických technologií (CZ.1.07/2.3.00/ )

2 Evropský Projekt ELI ELI-ALPS, Hu ELI-Beamlines, Cz Generace as pulzů XUV a rentgen. záření Vysoce výkonné lasery s vysokou opakovací frekvencí – generace sekundárních zdrojů světla a nabitých částic ELI-NP, Ro High-intensity development Jaderná fyzika s pomocí intenzivních laserů Extrémně intenzivní lasery: Exawatt-class (Ještě není vybrána země, kde se bude stavět) Projekt ELI 530 stránek – detailní popis cílů projektu, plánovaných technologií a strategií implementace ELI ELI WHITE BOOK PALS laser v Praze (1000 J/350 ps)

3 Výkonné laserové systémy ve světě VULCAN 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

4 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

5 Elektromagnetické spektrum Frekvenc e Vlnová délka Energie v eV 3 EHz100pm12.4 keV 300 PHz1 nm1.24 keV 30 PHz10 nm124 eV 3 PHz100 nm12.4 eV 430 THz700 nm1.8 eV 300 THz1 µm1.24 eV 3 THz100 µm12.4 meV 30 MHz10 m124 neV 30 kHZ10 km124 peV V IDITELNÉ SPEKTRUM M ĚKKÉ RENTGENOVÉ ZÁŘENÍ T VRDÉ RENTGENOVÉ ZÁŘENÍ G AMMA Z ÁŘENÍ 10 4 [Hz] Frekvence R ADIOVÉ VLNY M IKROVLNNÉ ZÁŘENÍ I NFRAČEVENÉ ZÁŘENÍ V IDITELNÉ SPEKTRUM UV ZÁŘENÍ Částicový charakter EM záření – fotony kvanta světla s charakteristickou energií

6 Časová měřítka Časové měřítko Světlo uletí Sekundas1 s km Milisekundams0.001 s300 km Mikrosekundaµsµs s300 m Nanosekundans s30 cm Pikosekundaps s0.3 mm Femtosekundafs s0.3 µm Attosekundaas s3 Å Měření rychlých procesů Pohyb elektronů Chemické reakce Rotace molekul

7 Jak funguje laser? 1) Aktivni prostředí E Populace E1E1 E3E3 E2E2 Boltzmanovo rozložení E Populace E1E1 E3E3 E2E2 E E1E1 E3E3 E2E2 Inverze populace 2) Čerpání 3) Zpětná vazba (oscilátor) A 21 /B 21 ~f 3

8 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. SFGSHG Např nm (IR) => 515 nm (zelená) OPA pumpsignal idler Širokopásmový zesilovač bez ukládání energie

9 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 ( s) – 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!

10 Základní technologie – CPA a OPCPA

11 Blokové schéma laseru Thin disk Yb:YAG Amp OPCPA compressor femtosecond Oscillator Ti:sapphire Cryogenic multislab Yb:YAG Cryogenic multislab Yb:YAG compressor Nd:YAG compressor Ti:sapph RT Multislab Nd:Glass Ti:sapphire Výbojkově čerpané kombinované Nd:sklo Diodové čerpané Multideskové Nd:sklo Diodové čerpané Multideskové Nd:sklo Diodové čerpané Multideskové Yb:YAG Diodové čerpané Multideskové Yb:YAG Diodově čerpané tenké disky Yb:YAG Diodově čerpané tenké disky Yb:YAG

12 Nové technologie – tenké disky Parametry disku tlouštka: µm průměr: mm Thomas Metzger, MPQ Umožňují kHz opakovací frekvence i vysoké energie L1 čerpací lasery pro systémy L1 potřebvují dosáhnout až 1.5 J/pulse při 1kHz opakovací frekvenci a 2 ps obě trvání pulzu.

13 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/cm 2 ) výkon lze zvyšovat zvětšením velikosti svazku (  d 2 ) Nevýhodou je nízký zisk na 1 průchod cooling water Heatsink (Cu, diamond) + mounting Yb:YAG disc AR coating HR coating

14 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, mJ; 3 kHz

15 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 E 2 (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)

16 Nové technologie – multideskové kryogenně chlazené zesilovače L2 & L3: čerpací laser Development of cryogenic Yb:YAG amplifier technology at RAL/STFC essential for ELI-Beamlines Podobná technologie byla demonstrována i v LLNL: 60 J/10 Hz Mercury laser ELI-Beamlines: cooperation on development of Yb:YAG technology Cryostat Transfer lines Amplifier head 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)

17 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

18 Nové technologie – kombinace Nd:skel Aktivní 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 elektronů Ideální délka pulzu a energie na urychlování elektronů Laser lze později použít jako čerpací pro OPCPA širokopásmového zesilovače

19 Front end a synchronizace všech laserových systémů (beamlines) Aby jednotlivé fs lasery (beamlines) fungovaly je třeba přesné synchronizace Běžná elektronická signalizace (ns) zdaleka nestačí Limit sofistikované elektronické synchronizace 10 ps (mimochodem také využívající laser) Přesnější synchronizace možná pouze opticky distribucí a zesilováním laserových pulzů (tzv. Seed pulzů)

20 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.

21 Vzájemná synchronizace laserových oscilátorů fs synchronizace lze dosáhnout pouze opticky pomocí optických cross- korelátorů JUNGWON KIM, JONATHAN A. COX, JIAN CHEN AND FRANZ X. KAERTNER nature photonics | VOL 2 |DECEMBER 2008 Integrovaná časová odchylka 0.4 fs rms

22 Distribuce optických hodin JUNGWON KIM, JONATHAN A. COX, JIAN CHEN AND FRANZ X. KAERTNER nature photonics | VOL 2 |DECEMBER 2008 Stabilizované optické vlákno. Existují i komerční řešení

23 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”

24 Kompresory pulzů Hranolové Vláknové Chirpovaná zrcadla Difrakční mřížky Pro vysokovýkonné systémy (v reflexním módu)

25 Kompresory pulzů Příklad symetrického kompresoru se 4 mřížkami „modrá“ má nejkratší dráhu -> „doběhne“ zelenou „červená“má nejdelší dráhu -> zpomalí se

26 Kompresory pulzů pro 1-2PW Koncepční návrh kompresorů (zhruba 2ns chirpované pulsy) Kompresory umístěny na konci zesilovacího řetězce Plné zobrazování vlnoplochy: OPCPA -> poslední mřížka-> experimentální haly Zesilovač OPCPA Transportní teleskop Mřížky kompresoru Systém distribuce svazků

27 Senzor vlnoplochy Shack-Hartmann CCD Pole čoček Vlnoplocha Rovinná vlnoplocha – ideální případ Vlnoplocha s aberacemi Příklad rekonstrukce

28 Adaptivní optika Aberace svazku možno korigovat adaptivní optikou (jako v astronomii) Po změření vlnoplochy se aplikuje korekce na deformovatelné zrcadlo Základní typy aberací

29 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

30 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

31 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

32 Práh poškození pro krátké i dlouhé pulsy Parametry pro fs LDT nezávisí na vlastnostech materiálu Závisí pouze na E g (šířka zak. pásu) Pro běžné opt. povrchy, exponent = 0.33± ps.. 50ns Eg = 4eV * Physical Review B71(2005) Stitching between the scalings is arbitrarily put to 2ps

33 Struktura budovy Monolitická struktura (laserové a experimentální prostory) – vibrační model Podpůrné technologie (air conditioning, vakuové pumpy, etc.) & vedlejší laboratoře Vibrační analýza brala v úvahu data naměřená v místě stavby

34 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

35 Cassegrain systém pro přenos femtosekundových pulzů Úvodní inženýrský návrh teleskopu 2 svazky přenášeny jedním systémem Optika vibračně oddělena od vakuových komor

36 Distribuce laserových svazků

37 Umístění laserů v budově Přízemí Laserové haly(L1 – L4) 1.patro 10 PW laser L4 Podpůrné technologie, kryogenika a chlazení Podzemí Kompresorová hala pro 10-PW lasery distribuce svazků ve vakuu 6 specializovaných experimentálních hal

38 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:

39 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

40 Děkuji za pozornost


Stáhnout ppt "Laserové a optické technologie ELI Beamlines Daniel Kramer za ELI beamlines team UPOL 22/2/12 Projekt: Výzkum a vývoj femtosekundových laserových systému."

Podobné prezentace


Reklamy Google