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 –
Iλ2 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.
|