Plazmatické rentgenové lasery II Příklady, vlastnosti, aplikace

Prezentace na téma: "Plazmatické rentgenové lasery II Příklady, vlastnosti, aplikace"— Transkript prezentace:

1 Plazmatické rentgenové lasery II Příklady, vlastnosti, aplikace
FBMI ČVUT Plazmatické rentgenové lasery II Příklady, vlastnosti, aplikace Jaroslav Nejdl

2 Obsah Realizace používaných schémat Hybridní zdroje
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

3 Kompenzace refrakce XUV záření pro 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.

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

5 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

6 Ne-podobný Zn laser na PALS
Energie 21.2nm (přechod 3p-3s ) Délka pulsu 150ps divergence svazku 3.5×5.5mrad

7 Ne-podobný Zn laser na PALS

8 Niklu-podobná schémata
J. Rocca, Colo. State U. 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)

9

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

11 Rentgenové lasery na principu ionizace optickým polem
Používaná schémata: B. E. Lemoff et al., Opt. Lett., 19, 569 (1994)

12 Rentgenové lasery na principu ionizace optickým polem
Je třeba laserů s vysokým špičkovým výkonem (I ≥ 1016 W cm-2) (CPA) Obr. Intenzita kruhově polarizované EM vlny potřebná pro ionizaci na iontový stav Z mechanismem potlačením pot. bariéry.

13 Rentgenové lasery na principu ionizace optickým polem
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, (2007)

14 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, t ≤ 200ns) Nejúspěšnější: Ne-podobný Ar (Ar+8) na 46.9 nm – srážkově excitační schéma - řada aplikací Kombinace výboje a laserového pulsu Vhodný profil elektronové hustoty (refrakce – gradientní vlnovod)

15 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)

16 Generace vysokých harmonických frekvencí
Kvazi-monochromatické záření + centro-symetrické prostředí → pouze liché harmonické Mikroskopická analýza pravděpodobnost atomární odezvy Makroskopická analýza absorpce, rozfázování, rozfokusování Elektronová hustota |y(x,t)|2

17 Generace vysokých harmonických frekvencí
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

18 Zesilování vysokých harmonických v laserovém plazmatu
Vytvoření „laserového řetězce“ (MOPA) v oblasti XUV Zdroj koherentního XUV záření s kvalitními optickým vlastnostmi Oscilátor HHG RTG laser Zesilovač vysoká optická kvalita svazku (vlnoplocha, koherence, divergence, délka pulsu) ENERGIE

19 Zesilování vysokých harmonických v laserovém plazmatu
Ph. Zeitoun et al., Nature 431, 466 (2004) 25. harmonická Ti: S laseru + Ni-podobný krypton, l=32.8nm 19. harmonická + Pd-podobný xenon, l=41.8nm

20 Zesilování vysokých harmonických v laserovém plazmatu
Y. Wang, et al., Nature Photonics 2, p. 98 (2008) 25. harmonická Ti: safíru + Ne-podobný titan, l=32.6nm 43. harmonická + Ni-podobný molybden, l=18.9nm 59. harmonická + Ni-podobné stříbro, l=13.9nm 59. harmonická + Ni-podobné kadmium, l=13.2nm

21 Vlastnosti záření RTGL
Monochromatičnost Dl/l~ 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 d-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

22 Vlastnosti záření RTGL příčná koherence – Youngův dvouštěrbinový experiment

23 Některé aplikace rentgenových laserů
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 materiálu při totálním odrazu pronikne záření (evanescentní vlna) jen do hloubky ~l

24 Literatura web Knihy Souhrnné články http://www.eli-beams.eu
Jaeglé P. Coherent Sources of X-UV Radiation: Soft X-Ray Lasers and High-Order Harmonic Generation. USA : Springer, s. Springer series in optical sciences; sv ISBN Attwood D. Soft X-Rays and Extreme Ultraviolet Radiation Lectures available on 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