D. Kramer - ELI – extreme light infrastructure

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
Projekt ELI
Evropský Projekt ELI
Generace as pulzů XUV a rentgen. záření
ELI-ALPS, Hu
ELI-Beamlines, Cz
ELI-NP, Ro
Vysoce výkonné lasery s vysokou opakovací
frekvencí – generace sekundárních zdrojů
světla a nabitých částic
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
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
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
 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
VIDITELNÉ SPEKTRUM
Elektromagnetické spektrum
Frekvence
Vlnová
délka
Energie v eV
3 EHz
100pm
12.4 keV
300 PHz
1 nm
1.24 keV
1020
TVRDÉ RENTGENOVÉ ZÁŘENÍ
30 PHz
10 nm
124 eV
1018
MĚKKÉ RENTGENOVÉ
3 PHz
100 nm
12.4 eV
1016
UV ZÁŘENÍ
430 THz
700 nm
1.8 eV
1015
VIDITELNÉ SPEKTRUM
300 THz
1 µm
1.24 eV
1012
INFRAČEVENÉ ZÁŘENÍ
3 THz
100 µm
12.4 meV
30 MHz
10 m
124 neV
108
MIKROVLNNÉ ZÁŘENÍ
30 kHZ
10 km
124 peV
104
[Hz]
RADIOVÉ VLNY
Frekvence
GAMMA ZÁŘENÍ
ZÁŘENÍ
Částicový charakter EM záření – fotony kvanta světla s charakteristickou energií
Časová měřítka
Časové
měřítko
Světlo uletí
Sekunda
s
Milisekunda
ms
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
Chemické reakce
Attosekunda
as
0.000000000000000001 s
3Å
Pohyb elektronů
Měření rychlých procesů
1s
0.001 s
300 000 km
300 km
Rotace molekul
Jak funguje laser?
E
E
E
E3
E3
E3
E2
E2
E2
A21/B21~f3
E1
E1
Populace
E1
Populace
Boltzmanovo rozložení
Populace
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.
SHG
Např. 1030 nm (IR) => 515 nm (zelená)
signal
idler
OPA
pump
SFG
Širokopásmový
zesilovač bez
ukládání energie
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
větší stůl
) z laseru, který se vejde na
V ELI – Beamlines se počítá s lasery o špičkových výkonech až 10 PW!
Základní technologie – CPA a OPCPA
Blokové schéma laseru
Diodově čerpané
Thin disk
Amp
Yb:YAG
tenké
disky
OPCPA
Yb:YAG
femtosecond
Oscillator
Ti:sapphire
Cryogenic
Diodové
čerpané
multislab
Yb:YAG
Multideskové
Cryogenic
Yb:YAG Ti:sapph
multislab
Yb:YAG
Nd:YAG
Ti:sapph
RT Multislab
Diodové
čerpané
Nd:Glass
Ti:sapphire
Multideskové
Nd:sklo
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)
Heatsink (Cu, diamond) + mounting
Yb:YAG
disc
• 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
HR coating
AR coating
Thin disk :Pump laser 1030 nm
Regenerativní zesilovač
Víceprůchodový zesilovač (20 průchodů)
(150 průchodů tenkým diskem)
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
Transfer
lines
Helium
cooling
circuit
Amplifier
head
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)
Model zesílení v prog. MIRO
In
Při vhodném časovém průběhu
vstupního svazku dosaženo
• Top Hat profilu na výstupu a
• maximalizace výkonu
Difrakční efekty však mohou vyvolat
oscilace a prostorová filtrace
nemusí stačit. (riziko poškození)
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)
OMO
240 MHz
100 fs
Stablilized opt. link
RF
reference
Stabilized opt. link
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)
L1
Stabilized opt. link
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.
Common front
end
for L1.1,1.2
2.1 (2.2)
L2
Local front end
L2.2
L4
Local front end
L3.1
L4
Local front end
L4.1&L4.2
Vzájemná synchronizace laserových
oscilátorů
fs synchronizace lze
dosáhnout pouze opticky
pomocí optických crosskorelátorů
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
Vlnoplocha
Pole
čoček
Senzor vlnoplochy
Shack-Hartmann
CCD
Rovinná vlnoplocha –
ideální případ
Vlnoplocha s
aberacemi
Příklad
rekonstrukce
Wavefront Function
PETZVAL LENS
9.1.2012
0.5876 µm at -4.0000 (deg)
Peak to valley = 5.3823 waves, RMS = 1.4686 waves.
Surface: Image
Exit Pupil Diameter: 3.5358E+001 Millimeters
Petzval.zmx
Configuration 1 of
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
– foto dioda (až do ~20ps)
• ps
– Streak kamera
Courtesy of
MPQ
• fs
– autokorelátor
– SPIDER (Spectral Phase Interferometry For Direct
Electric-field Reconstruction)
– FROG (Frequency-Resolved Optical Gating)
Difrakční efekty
• Velká důležitost
prostorového tvaru
pulzu
• Riziko překročení
meze poškození
optiky
• Nečistoty v cestě
laseru dalším
zdrojem difrakčních
jevů
G=20, 20m
transport
SuperGaussovský
profil
G=50, 100m
transport
Práh poškození pro krátké i dlouhé
pulsy
𝐸𝑔 𝑆𝑖𝑂2 = 8.3𝑒𝑉
𝐹𝑡ℎ = (−0.16 + 0.074𝐸𝑔 )𝜏𝑝 0.33
∗ 𝑜𝑣ěř𝑒𝑛𝑜 𝑝𝑟𝑜 25𝑓𝑠. . 1.3𝑝𝑠
•
•
Parametry pro fs
LDT nezávisí na
vlastnostech
materiálu
Závisí pouze na
Eg (šířka zak.
pásu)
power scaling
sqrt scaling
100,0
Pro běžné opt.
povrchy,
exponent =
0.33±0.03
*Physical
20ps .. 50ns
1000,0
Eth [J/cm2]
•
𝐹𝑡ℎ
𝑌
𝑌 = 𝐹𝑡ℎ (𝑋)
𝑋
Review B71(2005)
Eg = 4eV
10,0
1,0
0,1
1,E+0
1,E+1
1,E+2
1,E+3
1,E+4
1,E+5
pulse length [fs]
1,E+6
1,E+7
Stitching between the scalings is arbitrarily put to 2ps
1,E+8
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
I.
Repetiční laserové systémy s ultrakrátkými
pulzy a více-petawattové systémy
Exp.
Haly:
II. Ultrakrátké repetiční rentgenové zdroje
záření
E1 E2
E5
III. Urychlování částic pomocí laserů
E5 E6
IV. Aplikace v materiálovém, biomedicínském a E1 E2
E5
molekulárním výzkumu
V. Laserové plasma a fyzika vysokých hustot
energie
E3
t
VI. Fyzika a teorie intenzivních polí
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