FBMI ČVUT
Plazmatické rentgenové lasery IIPříklady, vlastnosti, aplikace
12.11.2012
Jaroslav [email protected]
Obsah
• Realizace používaných schémat– 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
2
Kompenzace refrakce XUV zářenípro 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.
3
Čerpáním pod klouzavým úhlem zvýšení efektivity čerpání grazing incinednce pumping (GRIP)
4
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
5
Ne-podobný Zn laser na PALS
• Energie 4-10mJ @ 21.2nm (přechod 3p-3s )• Délka pulsu 150ps• divergence svazku 3.5×5.5mrad
6
Ne-podobný Zn laser na PALS
7
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)
8
9
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).
Distribuce energie volných elektronů bezprostředně po interakci intenzivního (1017 Wcm-2) laserového pulsu s Kr plynem. [F. Tissandier, dizertační práce 2011]
10
(lineární p.)
(kruhová p.)
Rentgenové lasery na principu ionizace optickým polem
• Používaná schémata:
B. E. Lemoff et al., Opt. Lett., 19, 569 (1994)
11
Rentgenové lasery na principu ionizace optickým polem
• Je třeba laserů s vysokým špičkovým výkonem (I ≥ 1016 W cm-2)
(CPA)
12Obr. 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)
13
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, ≤ 200ns)
• Nejúspěšnější: Ne-podobný Ar (Ar+8) na 46.9 nm – srážkově excitační schéma - řada aplikací
• Kombinace výboje a laserového pulsuVhodný profil elektronové hustoty
(refrakce – gradientní vlnovod)
14
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)15
Generace vysokých harmonických frekvencí
Kvazi-monochromatické záření + centro-symetrické prostředí
→ pouze liché harmonické
Mikroskopická analýzapravděpodobnost atomární odezvy
Makroskopická analýzaabsorpce, rozfázování,
rozfokusování
ppcutoff UIE 17.3
16
Elektronová hustota 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
17
Zesilování vysokých harmonických v laserovém plazmatu
• Vytvoření „laserového řetězce“ (MOPA) v oblasti XUV
• Zdroj koherentního XUV záření s kvalitními optickým vlastnostmi
Oscilátor Zesilovač
vysoká optická kvalita svazku (vlnoplocha, koherence, divergence, délka pulsu)
ENERGIE
HHG RTG laser
18
Zesilování vysokých harmonických v laserovém plazmatu
Ph. Zeitoun et al., Nature 431, 466 (2004)
25. harmonická Ti: S laseru + Ni-podobný krypton, =32.8nm
19. harmonická + Pd-podobný xenon, =41.8nm19
Zesilování vysokých harmonických v laserovém plazmatu
Y. Wang, et al., Nature Photonics 2, p. 98 (2008)
25. harmonická Ti: safíru + Ne-podobný titan, =32.6nm
43. harmonická + Ni-podobný molybden, =18.9nm
59. harmonická + Ni-podobné stříbro, =13.9nm
59. harmonická + Ni-podobné kadmium, =13.2nm 20
Vlastnosti záření RTGL
• Monochromatičnost ~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 -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
M
Tk
ciB
FWHM
2ln22
S
Lxcoh 35.0
2
2
cohl
21
Vlastnosti záření RTGLpříčná koherence – Youngův dvouštěrbinový experiment
22
Některé aplikace rentgenových laserů
μm
101.1cm
2
213
cn
Df
2
www.fzu.cz/departments/xraylaser
• 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 materiálupři totálním odrazu pronikne záření (evanescentní vlna) jen do hloubky ~
23
Literatura
• Knihy– 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/
24