Laserové a optické technologie ELI Beamlines UPOL 22/2/12 Projekt: Výzkum a vývoj femtosekundových laserových systému a pokročilých optických technologií (CZ.1.07/2.3.00/20.0091) Laserové a optické technologie ELI Beamlines Daniel Kramer za ELI beamlines team

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

Výkonné laserové systémy ve světě VULCAN Laser (1 PW, 500 fs, 1054 nm ) RAL STFC UK Texas Petawatt (1 PW, 185 J / 130 fs, 1054 nm ) Uni. of Texas, USA Osaka PW module (1 PW, 500 fs/500J, 1053 nm ) Osaka Uni, Japonsko GIST-APRI Petawatt (1 PW, 32 J / 30 fs, 800 nm ) Jižní Korea Budují se 10 PW systémy: VULCAN Upgrade, APPOLON (Francie)

Obsah Část 1: Obecný úvod Část 2: Hlavní technologie ELI beamlines 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 spektrum Frekvence Vlnová délka Energie 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 Frekvence Gamma Záření 1020 Tvrdé rentgenové záření 1018 Měkké rentgenové záření 1016 UV záření 1015 Viditelné spektrum Viditelné spektrum 1012 Infračevené záření 108 Mikrovlnné záření 104 Radiové vlny [Hz] Částicový charakter EM záření – fotony kvanta světla s charakteristickou energií

Časová měřítka Časové měřítko Světlo uletí Měření rychlých procesů 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 Rotace molekul Chemické reakce Pohyb elektronů Měření rychlých procesů

Jak funguje laser? A21/B21~f3 E E E 2) Čerpání Populace E1 E3 E2 Boltzmanovo rozložení E Populace E1 E3 E2 E Populace E1 E3 E2 A21/B21~f3 Inverze populace 2) Čerpání 1) Aktivni prostředí 3) Zpětná vazba (oscilátor)

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 OPA idler Širokopásmový zesilovač bez ukládání energie pump signal Např. 1030 nm (IR) => 515 nm (zelená)

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

Nové technologie – tenké disky 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. Parametry disku tlouštka: 100 - 900 µm průměr: 10 - 35 mm Thomas Metzger, MPQ

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 coating HR 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) Technologie vyvíjená v Anglii RAL/STFC umožnující generaci až 100 J v pulzu při vysoké opakovací frekvenci 10Hz (délka pulzu 2ns) Courtesy K. Ertel and J. Collier (RAL/STFC)

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)

Model zesílení v prog. MIRO Při vhodném časovém průběhu vstupního svazku dosaženo Top Hat profilu na výstupu a maximalizace výkonu In Difrakční efekty však mohou svazek poškodit. Pokud není zvolena správná prostorová filtrace, dojde k oscilacím Out Out Courtesy of M. Divoký, HiLASE

Nové technologie – kombinace Nd:skel Aktivní medium – kombinace Nd:skel : vysoká energie a šířka pásma odpovídající <130 fs * Texas Petawatt laser: 185 J / 130 fs – scalable -> 1900 J /130 fs Ideální délka pulzu a energie na urychlování elektronů Laser lze později použít jako čerpací pro OPCPA širokopásmového zesilovače * 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)

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)

Front end a synchronizace všech laserových systémů (beamlines) 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. 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)

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

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

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 řetězce Plné zobrazování vlnoplochy: OPCPA -> poslední mřížka-> experimentální haly Zesilovač OPCPA Transportní teleskop Mřížky kompresoru Systém distribuce svazků

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

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 ps fs foto dioda (až do ~20ps) Streak kamera 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 G=20, 20m transport Velká důležitost prostorového tvaru pulzu Riziko překročení meze poškození optiky Nečistoty v cestě laseru dalším zdrojem difrakčních jevů Super-Gaussovský profil G=50, 100m transport

Práh poškození pro krátké i dlouhé pulsy         20ps .. 50ns Parametry pro fs LDT nezávisí na vlastnostech materiálu Závisí pouze na Eg (šířka zak. pásu) Pro běžné opt. povrchy, exponent = 0.33±0.03 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 laboratoře Vibrační 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 1.patro 10 PW laser L4 Podpůrné technologie, kryogenika a chlazení Přízemí Laserové haly(L1 – L4) Podzemí Kompresorová hala pro 10-PW lasery distribuce svazků ve vakuu 6 specializovaných experimentálních hal

ELI beamlines: výzkumné programy Repetiční laserové systémy s ultrakrátkými pulzy a více-petawattové systémy Ultrakrátké repetiční rentgenové zdroje záření Urychlování částic pomocí laserů Aplikace v materiálovém, biomedicínském a molekulárním výzkumu Laserové plasma a fyzika vysokých hustot energie Fyzika a teorie intenzivních polí Exp. Haly: E1 E2 E5 E5 E6 E3 t E4

Cílové aplikace 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) 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)

Děkuji za pozornost