Plazmatické rentgenové lasery II Příklady, vlastnosti, aplikace FBMI ČVUT Plazmatické rentgenové lasery II Příklady, vlastnosti, aplikace 12.11.2012 Jaroslav Nejdl nejdl@fzu.cz

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

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.

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

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

Ne-podobný Zn laser na PALS Energie 4-10mJ @ 21.2nm (přechod 3p-3s ) Délka pulsu 150ps divergence svazku 3.5×5.5mrad

Ne-podobný Zn laser na PALS

Niklu-podobná schémata J. Rocca, Colo. State U. http://euverc.colostate.edu 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)

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]

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

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.

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, 063904 (2007)

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)

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)

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 http://www.orc.soton.ac.uk/xray.html

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

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

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

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

Vlastnosti záření RTGL Monochromatičnost Dl/l~10-3-10-4 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

Vlastnosti záření RTGL příčná koherence – Youngův dvouštěrbinový experiment

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 www.fzu.cz/departments/xraylaser

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, 2006. 416 s. Springer series in optical sciences; sv. 106. ISBN 0342-4111. Attwood D. Soft X-Rays and Extreme Ultraviolet Radiation Lectures available on www.coe.berkeley.edu/AST/sxreuv 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 http://www.eli-beams.eu http://euverc.colostate.edu/ http://loa.ensta.fr/ https://www.llnl.gov/str/Dunn.html http://www.mbi-berlin.de/de/research/projects/2-01/subprojects/UP2/1.05/index.html http://www.york.ac.uk/physics/people/academic/tallents/l11809/