Nagyintenzitású lézerlaboratórium (HILL)

      Az elmúlt évtizedben lehetővé vált az ultranagy intenzitású fény használata relativisztikus lézer-plazma kölcsönhatások, nem perturbatív nemlineáris optika és a nagy energiájú atomfizika területén.

      A legtöbb nagy intenzitású (>1018 W/cm2) femtoszekundumos lézer-anyag kölcsönhatásra vonatkozó kísérletet az 1μm és a 0.8μm közötti hullámhossz tartományon végezték Nd:üveg és Ti:zafír lézerekkel. A nemlineáris jelenségek legtöbbje – így a lézerplazma kölcsönhatások is –
2 szerint skálázódik (ahol I = intenzitás, λ = hullámhossz). Ezeken az intenzitásokon a lézerplazma erősen anizotróppá válik, és az intenzív lézersugárzás kölcsönhatása az anyaggal gyors elektronok és ionok létrejöttét eredményezi. A ponderomotoros erő és a gyors részecskék energiája Iλ2-től függ. A rövidebb hullámhosszakon a lézer-anyag kölcsönhatás közben nagy fénynyomás keletkezik, míg az egyes részecskék energiája a plazmában megmarad egy közepes szinten.

      A KrF lézer rövid hullámhossza (0.248 μm) lehetővé teszi a röntgensugárzás hatékony létrehozását, mivel az ultraibolya lézerfény mélyen behatol a sűrű plazmába. Az intenzív femtoszekundumos lézerek 1024 cm-3 elektron-sűrűségű és 1 keV-nál magasabb hőmérsékletű sűrű plazma keletkezését eredményezik. Mivel az asztrofizikában vizsgált objektumok belseje hasonló állapotú, ezért a lézer-anyag kölcsönhatás kutatása – laboratóriumi körülmények között, ellenőrizhető és reprodukálható feltételekkel – az asztrofizikai objektumok plazmaállapotának tanulmányozására nyit lehetőséget.

      A szabályozott termonukleáris lézerfúzió létrehozásának egyik új, perspektivikus módszere az ún. „gyors begyújtás”. Ez úgy történik, hogy a rövid hullámhosszú, nagy teljesítményű lézerek a már bizonyos mértékben összenyomott plazma koronáján át lyukat fúrnak, azaz behatolnak a nagy sűrűségű részbe és ott MeV-os energiájú részecskéket keltenek. A gyors begyújtás hatékonyságát a forró elektronok keltett fluxusa és a begyújtandó központi maghoz való transzportja határozza meg. Mivel a lézer energiája az nc kritikus sűrűségnél nyelődik el, ezért a transzport annál hatékonyabb, minél rövidebb utat kell megtenni, azaz minél nagyobb a kritikus sűrűség. Mivel a kritikus sűrűség is
λ-2-vel arányos, így a fűtő, begyújtó fluxust a rövid hullámhosszú lézerek alkalmazása növelheti.

      A nemesgáz-halogén vegyületekben működő excimer alapú lézer rendszerek tulajdonságai összevethetők a szilárdtest lézerekkel. A szilárdtestlézerek maximális teljesítménye jóval nagyobb, mint az excimereké, az excimer lézerek nagyobb homogenitása, illetve jobb fókuszálhatósága miatt a fókuszált intenzitás összemérhető a két típusú lézer esetében. A szilárdtestlézereket felhasználó technológiák gyors fejlődésének köszönhetően ezen lézerek a fizika törvényei által megszabott határon működnek, míg az excimer erősítők fejlesztési lehetőségei még nem ütköznek elvi határokba.

      1994-ben a JATE Kísérleti Fizikai Tanszéken (KFT) létrehozott nagyintenzitású lézerlaboratóriumban felépült egy 1018 W/cm2 intenzitású, UV tartományban sugárzó festék-excimer lézerrendszer. Ez a laboratórium (High Intensity Laser Laboratory - HILL) ma két ilyen lézerrendszerrel rendelkezik, lehetőséget teremtve egyidőben több kísérlet elvégzésre.  Ezen projekt célja az előbbiekben részletezett potenciális előnyök kihasználása; a rövid hullámhosszú excimer lézerrendszerekből kinyerhető teljesítmény illetve intenzitás növelése.

I. Nagyintenzitású KrF excimer lézerrendszerek kutatás-fejlesztése

      Az excimer alapú nagy specifikus intenzitású (brightnessű) lézerrendszerekben az excimer erősítő egységeket látható vagy infravörös (IR) lézerek frekvencia konvertált rövid impulzusainak erősítésére használják.

      Az UV fényforrások számos előnyt kínálnak az IR lézerrendszerekkel szemben. Legfontosabb a lézernyaláb kitűnő fókuszálhatósága, amely a hullámhosszal fordított arányban skálázódik. Az energia térbeli koncentrálása döntő fontosságú a nagy fókuszált intenzitások keltése esetében. A másik alapvető előny az impulzusok lényegesen jobb kontrasztja (jel/zaj viszonya). A relativisztikus intenzitásoknál lezajló fény-anyag kölcsönhatásának tanulmányozására vonatkozó fizikai kutatásokban alapvető fontosságú, hogy tiszta, zajmentes optikai impulzusokat alkalmazzunk. A targeten lévő 1019-1020 W/cm2-es fókuszált intenzitás mellett a háttérsugárzás (zaj) – ami sok esetben a csúcsintenzitás 10-4-10-5-szerese – már létre tud hozni egy forró plazmát, így megakadályozva a kontrollált feltételek mellett végzett kísérletek lehetőségét. A fent említett intenzitás kontraszt a jelenleg működő nagy teljesítményű IR szilárdtest lézerrendszerekre jellemző. Ezzel szemben az excimer erősítők a nemlineáris folyamatokon keresztül „megtisztított” frekvencia konvertált magimpulzusokat erősítenek. A zaj megmaradó forrása csak az erősítő saját zaja, (az erősített spontán emisszió, ASE), amelynek azonban sokkal nagyobb a divergenciája, mint az erősített rövid impulzusnak, így a távoli zónában gyakorlatilag elhanyagolható hozzájárulást ad az intenzitáshoz (intenzitás kontraszt ≈ 10-10). Abból a célból, hogy kihasználjuk az UV femtoszekundumos lézerek által nyújtott lehetőségeket, a meglévő elektromosan pumpált erősítők működési tartományát kívánjuk kiterjeszteni. A közelmúltban kifejlesztett ún. off-axis erősítési sémát használva a rövid impulzusú erősítő működési paraméterei közel optimálisnak tekinthetők. Az excimer lézerek esetében a gerjesztett állapot időtartamának rövidsége miatt csak a pillanatnyilag tárolt energiát lehet kinyerni az erősítőből. Lévén, hogy a tárolt energia a kisülés aktív térfogatával arányos, a nagy kisülési térrel rendelkező erősítők építése munkánk egyik célja. Az intenzitáseloszlás homogenizálására kidolgoztunk egy új módszert, amely a konvencionális megoldásokkal ellentétben a véges iránytartású nyaláb térszűrésére is képes. Ezzel a sémával a frekvenciakonverzió és a térszűrés egyszerre megvalósítható. A lézerek jó fókuszálhatósága mellett az időbeli tulajdonságok javítása is hasonló fontossággal bír. A lézerimpulzusok időbeli és spektrális tulajdonságai közti kapcsolatot a Fourier transzformáció írja le, tehát az impulzus spektrumának formálásával az időbeli tulajdonságai is javíthatók. Egy frekvenciakétszerezésen alapuló módszerrel − az erősítendő nyaláb spektrális tulajdonságain változtatva − az impulzus időbeli alakja is formálható.

      A Kísérleti Fizikai Tanszék a Göttingeni Lézer Laboratóriummal (LLG) szorosan együttműködve építette meg a világon először a festék és excimer lézereken alapuló nagy intenzitású kompakt UV lézerrendszert. Az infravörös tartományban működő hagyományos lézerekkel szemben, a KFT és az LLG által közösen kifejlesztett rendszer – a láthatóban keltett impulzusok frekvencia konverziója után – az UV tartományban állít elő femtoszekundumos impulzusokat.

      A rövid impulzusú ultraibolya lézerek esetében az excimer erősítő modulok kulcsfontosságú komponensek, melyeket optikai erősítőként használnak a hosszabb hullámhosszon keltett rövid impulzusok frekvencia konvertált impulzusainak erősítésére. Fizikai és technikai okokból az excimerek közül a KrF lézerek a legalkalmasabbak a rövid impulzusok erősítésére.

      A korábbi években a kutatócsoportunk munkássága ezen erősítő működésének leírására, optimalizálására és az erősítőre illesztett erősítési sémák kidolgozására koncentrálódott.

      Tanulmányoztuk a fázis-modulált impulzus térbeli fejlődését, amint áthalad egy diszperzív elemen, majd egy leképező rendszeren. Megmutattuk, hogy az impulzusidő térbeli fejlődése lehetővé teszi, hogy a hagyományos fázis-modulált impulzuserősítési technikát (CPA) sokkal egyszerűbb módon használjuk, mégpedig úgy, hogy az erősítőt a nyaláb azon részébe helyezzük, ahol az impulzusidő meg van nyújtva. Így az erősítő és a target egy lencsével vagy egy tükörrel szétválasztható, nincs szükség külön impulzusnyújtókra ill. impulzus kompresszorokra. Ez az elrendezés ideálisan alkalmas a targetek haladó hullámmal történő gerjesztésére.

      A 248 nm-en – az ablak anyagainál – bekövetkező intenzitásfüggő veszteség mechanizmusokat is tanulmányoztuk. Úgy találtuk, hogy a veszteség főként a fényszórásnak és az abszorpciónak tulajdonítható. Kvarcban az abszorpciót elsősorban két fotonos abszorpció okozza, míg CaF2, MgF2 és LiF esetében a színcentrum képződést és a három fotonos abszorpciót kell együttesen figyelembe venni.

      Megmutattuk, hogy ha nagy gondot fordítunk a nyaláb irányára, akkor a lézerrendszer akár
1019 W/cm2 nagyságrendéjébe eső fókuszált intenzitás keltésére is képes.

      Excimer erősítőkben – az aktív közeg rövid tárolási idejének köszönhetően – az egyetlen mód a teljes tárolt energia kinyerésére, hogy az erősítést többször megismételjük. Ennek konvencionális módja az optikai multiplexelés. Kifejlesztettünk egy új multiplexelési technikát, ami lehetővé teszi a rész-nyalábok automatikus, fázis illesztett szinkronizációját, ezáltal elvi lehetőséget teremt femtoszekundumos impulzusok multiplexelésére.

      Fejlesztjük magukat az erősítőket is. A KrF molekula keletkezéséhez szükséges gázkeverékben keltett ionok gyors (néhányszor 10 ns-os) relaxációjára való tekintettel a technikailag mindenképp szükséges preionizáció gyorsaságának ugyanebben a nagyságrendben kell lennie. A nagy térfogat preionizálására a nagy abszorbciós úthosszal rendelkező röntgen sugárzás tűnik a legalkalmasabbnak. Ezek egy gyors és intenzív, a kisülés elnyújtott geometriájához igazodó elrendezést feltételeznek. Mind a tápegység, mind a röntgenforrás realizálása nagy kihívást jelent.

       Az utóbbi évek rendszerfejlesztésének eredményeképp az erősítő fokozatok közé beépítettük az említett új típusú tér- és időszűrési technikát, demonstráltuk annak alkalmazhatóságát. Így 1012 intenzitáskontraszt mellett egy három erősítési fokozatból álló lézerrendszerünk van amelynek impulzusenergiája eléri a 100 mJ-t. Utólagos kompresszióval az impulzusidő pedig 100-500 femtoszekundum közötti.

II. Lézer-anyag kölcsönhatások

1. THz impulzusok előállítása fotokonduktív antennákkal

      A 0.1-10 THz frekvenciatartományba eső sugárzások előállítása nagy lehetőségeket tartogat mind az ipar, mind az alapkutatásokban. Természetes forrása a Planck-spektrumból kifolyólag, rendkívül hideg (pár Kelvin) csillagközi gázok, porok. Mesterséges módon történő intenzív impulzusok előállítása azonban jelenleg nehézségekbe ütközik. Irányított létrehozásukra elsősorban két oldalról történnek erőfeszítések. Egy részről az alacsonyabb frekvenciájú mikrohullámú rezonátorok frekvenciáját próbálják növelni, illetve magasabb, optikai frekvenciájú (elsősorban lézer) sugárzásokat konvertálnak alacsonyabb frekvenciatartományba. Utóbbi módszerek közé tartozik az úgynevezett PCA/LAPCA (Photoconductive Antenna/Large Aperture Photoconductive Antenna) eljárások. Ennek során egy félvezető felületén lévő töltéshordozókat egy rövid lézerimpulzus, a foton energiája révén a a tiltottról a vezetési sávba emeli, majd (rekombináció előtt) THz frekvenciákon rezgésbe kezdenek. A félvezető a gerjesztett állapota során egy nagyfeszültségű rövid feszültségimpulzust kap külső forrásból, amiből az említett rezgések további energiát nyernek. Ezek az erősített felületközeli rezgések a pár ciklusú (bizonyos esetekben félciklusú) THz impulzusok forrásai.

      A jelenséget a kanadai IRNS (Institut national de la recherche scientifique) kutatóival együttműködésben vizsgáljuk speciális UV lézereinkkel. Rövidimpulzusú lézereink egyedi hullámhossza (248 nm) és ebből fakadó fotonenergiája (5.1 eV), új típusú, nagyobb tiltott sávszélességű félvezetőket enged antennaként felhasználásra.

      A kísérletsorozatok végeredményeként nagy intenzitású THz forrást várunk, ami segíthet további alkalmazott kutatásokat a lézeres részecskegyorsítás, orvosi képalkotás ill. nemlineáris spektroszkópia területein.

 

2. Lézer-klaszter kölcsönhatások

      Az 50-es évek óta ismeretes, hogy nagy háttérnyomású nemesgázokat, illetve bizonyos folyadékfázisú anyagokat vákuumba fecskendezve, adiabatikus módon lehűlnek, majd időben viszonylag stabil (több ms), pár száz-pár ezer atomból álló kvázikristályszerkezet, úgynevezett klasztert alkot. Ezek a klaszterek egyedi tulajdonságaik miatt (relatíve nagy abszorpció, méreteloszlásuk könnyű irányíthatósága, stb.), nagy intenzitású lézereknek kiváló céltárgy magasharmónikus keltéshez, röntgenforrásként, elektron ill. ionforrásként. A budapesti Wigner Fizikai Kutatóközpont Plazmafizikai osztályával együttműködésben a klaszterek karakterizálásával együttesen kísérleteket folytatunk ezen klaszterek Coulomb-robbanásának vizsgálatához. A kísérletek során a szegedi rövidimpulzusú excimer lézert fókuszáljuk a klaszterekre, majd az így létrejövő nagy elektromos térerősség a klaszterek elektronjait „lesöpri”. A klaszterben így egy pozitív össztöltés alakul ki, ami erősen taszító jellegű. A pozitív ionokból álló klaszter felrobban, majd energiájukat egy repülési cső végén elhelyezett detektorral, repülési idejükből származtatva mérjük.

      A kísérletek során ionspektrumokat nyerünk amelyeket kiértékelünk a maximális energia és eloszlás, valamint kísérleti paraméterek függvényében. Ilyen paraméterek a gáz anyagi minősége, háttérnyomása (méreteloszlás és ebből fakadó abszorpció), a lézerimpulzus intenzitása és időbeli kontrasztja. A kölcsönhatás eméleti (numerikus) modellezése is folyik, ahol monte-carlo módszerrel számított repülési spektrumokat származtatunk.

      Vizsgáljuk a keletkezett moderált (Emax ~ 1-10 MeV) energiájú ionok további gyorsításának és monokromatizálásának lehetőségét is.

 

3. Lézeres részecskegyorsítás

      A lézeres részecskegyorsítás alapproblémája a következő: a lézer fényének elektromos tere merőleges magának a fénynek a terjedési irányára. Valamilyen eljárást kell tehát találnunk hogy az oszcilláló elektromos tér energiáját kicsatoljuk és a kölcsönható töltések erre merőleges irányba gyorsítódjanak. Az első ilyen gyorsítási séma az ún. „ébredő tér” gyorsítás, (Plasma Wakefield Acceleration) a 70-es évekből. Az ultrarövid impulzusú, nagy intenzitású asztali, „table-top” lézerrendszerek elterjedésével egy másik gyorsítási sémával kezdtek kísérletezni. Ennek lényege hogy egy vékony (általában pár micron vastagságú fém anyagú) fóliát meglőnek egy ultrarövid (sub-ps) nagy időbeli tisztaságú lézerimpulzussal. A lézerimpulzust megelőző előimpulzus és a főimpulzus felfutó éle előplazmát kelt a fólia felületén, adott plazmagradienssel. A beérkező főimpulzus behatolva az előplazmába, az elektronokat felfűti és rezgeti. A nagy sebességű ionok a fólia belsejébe hatolva, annak hátoldalán nagy sebességgel kilépve egy pozitív össztöltést hagynak a fólia hátoldalán. Fel lehet fogni a jelenséget úgy, mint egy átütő kondenzátor, ugyanis a kilépő elektronokat a felületi pozitív ionok, felületről leszakadva követni kezdik. Tehát a részecskék energiájának forrása a hátoldalon keletkező pillanatnyi nagy elektromos térerősség.

      A helyzetet bonyolítja hogy az ionok energiája és térbeli eloszlása nagyban függ több paramétertől.

Ilyenek:
- A gerjesztő lézer paraméterei
- Beesési szög
- Fólia vastagsága, anyagának rendszáma, stb.

      A lengyel Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion kutatócsoportjával együttműködve kísérletet tervezünk a gyorsítási séma megvalósítására a szegedi ultrarövid UV-lézerekkel. Az előkészületi munkák sokrétűek. Szükséges a céltárgy precíz, microméter pontosságú mozgatása vákuumkamrán belül, valamint a lézerimpulzus kielégítő fókuszálása.
A nagy intenzitások (>1017 W/cm2) eléréséhez off-axis parabolatükröket használunk, amely beállítása külön diagnosztikai nyalábutat igényel. Továbbá szükséges gondoskodni a felhasznált optikai elemek megfelelő felületi simaságáról, elkerülve a térbeli koherencia romlását.