1 / 40

Laserov é 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). Laserov é a optické technologie ELI Beamlines. Daniel Kramer za ELI beamlines team. Evropský Projekt ELI. Projekt ELI.

cael
Download Presentation

Laserov é a optické technologie ELI Beamlines

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. UPOL22/2/12 Projekt: Výzkum a vývoj femtosekundových laserových systému a pokročilých optických technologií (CZ.1.07/2.3.00/20.0091) Laserové a optické technologieELI Beamlines Daniel Kramer za ELIbeamlines team

  2. Evropský Projekt ELI Projekt ELI Generace as pulzů XUV a rentgen. záření Vysoce výkonné lasery s vysokou opakovací frekvencí – generace sekundárních zdrojů světla a nabitých částic ELI-ALPS, Hu ELI-NP, Ro Jaderná fyzika s pomocí intenzivních laserů ELI-Beamlines, Cz High-intensitydevelopment 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 (1000J/350 ps)

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

  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 Frekvence Gamma Záření 1020 Tvrdé rentgenovézáření 1018 Měkké rentgenové záření 1016 UV záření 1015 Viditelné spektrum Viditelné spektrum 1012 Infračevené záření 108 Mikrovlnné záření Radiové vlny 104 [Hz] Částicový charakter EM záření – fotony kvanta světla s charakteristickou energií

  6. Časová měřítka Rotace molekul Chemické reakce Pohyb elektronů Měření rychlých procesů

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

  8. Další triky jak změnit energii fotonu Při průchodu intenzivníhosvětla 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 OPA SHG idler Širokopásmový zesilovač bez ukládání energie pump signal Např. 1030 nm (IR) => 515 nm (zelená)

  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 (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!

  10. Základní technologie – CPA a OPCPA

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

  12. 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 a2 ps obě trvání pulzu. Parametry disku tlouštka: 100 - 900 µm průměr: 10 - 35 mm Thomas Metzger, MPQ

  13. Heatsink (Cu, diamond) + mounting Yb:YAG disc cooling water HR coating AR coating 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

  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, 2123 (2009) @ 25 mJ; 3 kHz

  15. Nové technologie – multideskové kryogenně chlazené zesilovače • Parametry zesilovače • 2 zesilovače v každém z nich 8 disků (Yb:YAG) • kryogenické chlazení160K • 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)

  16. Nové technologie – multideskové kryogenně chlazené zesilovače L2 & L3: 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 Transfer lines Helium cooling circuit Amplifierhead Cryostat 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 • 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

  18. 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)

  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) 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)

  21. Vzájemná synchronizace laserových oscilátorů fs synchronizace lze dosáhnout pouze optickypomocí optických cross-korelátorů Integrovaná časová odchylka 0.4 fs rms JUNGWON KIM, JONATHAN A. COX, JIAN CHEN ANDFRANZ X. KAERTNER naturephotonics | VOL 2 |DECEMBER 2008

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

  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 vlnoplochyShack-Hartmann Pole čoček Vlnoplocha CCD Rovinná vlnoplocha – ideální případ Příklad rekonstrukce Vlnoplocha s aberacemi

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

  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 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

  32. 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 Eg = 4eV 20ps .. 50ns *Physical Review B71(2005) Stitching between the scalings is arbitrarily put to 2ps

  33. Struktura budovy Monolitická struktura(laserové a experimentálníprostory) – 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 • Úvodníinženýrský návrh teleskopu • 2 svazky přenášeny jedním systémem • Optika vibračně oddělena od vakuových komor

  36. Distribuce laserových svazků

  37. 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

  38. ELI beamlines: výzkumné programy Exp. Haly: • 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 E1 E2 E5 E5 E6 E1 E2 E5 E3 t E4

  39. 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. kompaktníFEL) • Časově rozlišené pump-probe experimenty (fůzní plazma, warm dense matter, laboratorní astrofyzika, apod.) • Medicína (hadronová terapieatomografie nádorů) • Bio-chemie (dynamika rychlých přechodových jevů) • Bezpečnost (nedestruktivní inspekce materiálů)

  40. Děkuji za pozornost

More Related