Nyelv

 

A kutatási berendezés

Elsődleges lézerforrások

Az ELI-ALPS-ban négy fő lézerforrás üzemel: közülük három 100 W-os átlagteljesítménnyel a közeli infravörös (near infrared - NIR), egy pedig 10 W-os átlagteljesítménnyel a közép-infravörös (mid-infrared - MIR) tartományban. A négy rendszer által kibocsátott fényimpulzusok paraméterei – impulzushosszuk, ismétlési frekvenciájuk és impulzus-energiájuk – egyedi kombinációkat képviselnek. Ezen új generációs lézerek jellemzően szub-pikoszekundumos szál-oszcillátort, szálerősítőt,  fehér fénnyel való magimpulzus-keltést tartalmaznak, így biztosítva a passzív vivő-burkoló fázis (CEP) stabilitást. Mind a négy rendszer központi órajellel szinkronizálva folyamatosan legalább napi 8 órában fog működni.

HR lézer – Nagy ismétlési frekvenciájú lézerrendszer

Ez a rendszer két elektromágneses oszcilláció időtartamánál rövidebb (~6 fs) impulzusokat állít elő 1030 nm körüli hullámhossztartományban, TW-os csúcsteljesítménnyel. Az impulzusokkal két másodlagos forrást működtetve gázban keltett magas felharmonikusok keltésével attoszekundumos impulzusokat generálunk. 

 

 

 

A lézer vivőhullám-burkoló fázis (CEP) stabilizált oszcillátort használ 1030 nm-es hullámhosszal, 80 MHz-es ismétlési frekvenciával. Ezt a frekvenciát akuszto-optikai modulátorok csökkentik 100 kHz-re. Az előerősítő nagy módusátmérőjű (LMA) szálerősítők (65 µm, 1 m) használatával 20 W-os teljesítményre erősíti ezeket az impulzusokat. Végül az impulzusokat 2 ns-osra terjesztjük ki egy rács alapú impulzusnyújtó eszközzel.

A nyújtó kimenetét nyalábosztókkal több csatornára osztjuk és 8 párhuzamos LMA szálerősítőben tovább erősítjük. A szálerősítő csatornákat nagy teljesítményű lézerdiódák pumpálják, 60 W-os teljesítményt eredményezve minden kimeneten. A létrejött impulzusokat koherensen kombináljuk, majd megközelítőleg transzformáció-limitáltra (~200 fs) kompresszáljuk. Végül az impulzusokat két lépcsőben nemesgázzal töltött kapilláris szálakban 2 ciklusnyi időnél rövidebbre összenyomjuk,  és csörpölt tükrökre irányítjuk.

1.táblázat

Paraméterek

HR 1

HR 2 (tervezett)

Középhullámhossz λc

1030 nm

1030 nm

Ismétlési frekvencia

100 kHz

100 kHz

Átlagteljesítmény

>100 W

>500 W

Impulzusenergia

>1 mJ

>5 mJ

Impulzushossz (@λc)

<6.2 fs (<1.85 ciklus)

<6.0 fs (<1.8 ciklus)

Kimeneti energia stabilitás

<0.8% (rms)

<0.8% (rms)

Nyalábminőség (Strehl arányszám)

>0.9

>0.9

CEP-stabilitás

<100 mrad (rms)

<100 mrad (rms)

Nyaláb iránystabilitás

<2.5% (diffrakció limitált div.)

<2.5%

 

SYLOS – Egyciklusú lézer

Az egy optikai ciklusú lézer – SYLOS - segítségével szilárd és gáz alapú magasrendű harmonikusok keltésével az extrém-ultraibolya (XUV) és a lágy röntgen tartományban nyílik lehetőség attoszekundumos impulzusok előállítására. A lézerrendszer jelenleg az első megvalósítási fázisának végén 1 kHz-es ismétlési frekvencián állít elő 10 fs-nál rövidebb impulzusokat 4.5 TW-os csúcsteljesítménnyel. Megbízhatóságának, hangolhatóságának, az impulzusenergia, az iránytartási valamint a vivő-burkoló fázis stabilitásának köszönhetően már most új mércét jelent a lézeres iparban. Ezek a tulajdonságok valóban rendkívül fontosak is lesznek az ELI-ALPS felhasználói számára, hiszen az ELI-ALPS lézerrendszerei közül a SYLOS esetében számítunk a legnagyobb igénybevételre, miután a második fejlesztési fázist követően 20 TW-os csúcsteljesítménnyel szállít majd két ciklusnál rövidebb impulzusokat, továbbra is 1 kHz ismétlési frekvencia mellett. A SYLOS lézerrendszer lelke a jelenleg legkorszerűbbnek mondható nem-kollineáris optikai parametrikus csörpölt impulzuserősítés (NOPCPA). A magimpulzusként használt fehér fényt a pikoszekundumos impulzushosszal rendelkező pumpalézer több fokozatban erősíti fel, amely így 10 fs-nál rövidebb 880 nm-es központi hullámhosszú impulzusokat állít elő. 

 

A lézerrendszer forrását egy Yb:KGW oszcillátor nyújtja, amely az ELI-ALPS központi órájához szinkronizált magimpulzusokat szolgáltat mind az erősítendő jel, mind a pikoszekundumos pumpalézer számára. Az oszcillátort követően a magimpulzusok energiáját az előerősítő fokozatban a µJ-os tartományra növeljük, továbbá fehér fény keltésével (WLG) érjük el a rövid impulzusidőhöz szükséges spektrális szélességet, amely így lefedi a 600 nm és 1000 nm közötti tartományt, 880 nm-es központi hullámhosszal. Az előerősítő fokozatban a passzív különbségi frekvenciakeltésnek (DFG) köszönhetően kiváló vivőburkoló fázisstabilitás valósul meg. A magimpulzus időbeli nyújtása egy prizma-rács párral (az angol megfelelőjükből összeolvasztva „grisms”), valamint egy akuszto-optikai modulátorral (Dazzler) valósul meg, ami így azonos hosszúságú lesz a pumpalézer impulzusával. A rendszer kiemelkedő stabilitási tulajdonságait a legmodernebb diódapumpált Nd:YAG pumpalézerek segítségével érjük el, amellyel a fő erősítési fokozatokat (NOPCPA) hajtjuk meg. Az alkalmazott technológia lehetővé teszi az impulzus központi hullámhosszának könnyű hangolhatóságát, illetve spektrális formálását a pumpaimpulzus késleltetésével, illetve a fázisillesztési szög változtatásával. Az erősítés közben negatív diszperzióval rendelkező impulzusok időbeli összenyomását első körben nagyméretű üvegtömbökkel végezzük el, majd vákuumkörnyezetben, pozitívan csörpölt tükrök segítségével állítjuk elő a 10 fs-nál rövidebb 45 mJ-os energiájú impulzusokat az 1 kHz-es ismétlési frekvencián.

Paraméterek

SYLOS 1

SYLOS 2 (tervezett)

Csúcsteljesítmény

> 4.5 TW

20 TW

Impulzushossz

< 4 optikai ciklus (< 10 fs)

< 2 optikai ciklus (< 5 fs)

Központi hullámhossz

880 nm (változtatható)

900 – 1000 nm (változtatható)

Ismétlési frekvencia

1 kHz

1 kHz

Vívő-burkoló fázis stabilitása

< 250 mrad

< 200 mrad

Energiastabilitás

< 1.5 %

< 1.5 %

Időbeli kontraszt

> 1010

> 1010

Strehl-szám

> 0.85

> 0.85

Pikoszekundumos pumpalézer impulzushossza

90 ps

< 90 ps

2. táblázat

HF - Nagyintenzitású lézer

A nagyintenzitású lézer (HF: high field) egy közös magimpulzust előállító egységen alapuló, két ágból álló rendszer. A fő ág, amely PW-os csúcsteljesítményű lézerimpulzusok előállítására képes, 20 fs-nál rövidebb, 2 PW csúcsteljesítményű impulzusokat generál 10 Hz ismétlési frekvencián nagy időbeli kontraszt mellett. A másik ágban, a HF-100 rendszerrel alacsonyabb energiájú, azonban 4 optikai ciklusnál rövidebb, 50 TW csúcsteljesítményű impulzusok keletkeznek 100 Hz ismétlési frekvencián. A két kar közötti pontos szinkronizációt a magimpulzusok közös frontendben történő generálása biztosítja. 

A HF rendszer közös magimpulzus előállító rendszere, az ún. „front end” egy lézeroszcillátorból és az azt követő két külön előerősítővonalból áll, amivel optimálisan állíthatók elő a két ág eltérő impulzusparaméterei. A frontendben a jelenlegi legmodernebb lézer technológiákat - Ti:zafír erősítés, optikai szállézerek, nemlineáris optika és az OPCPA erősítési séma - alkalmazza. A lézeroszcillátor egy szub-pikoszekundumos optikai szál alapú pumpalézer, amely 2 mJ energiájú impulzusokat generál 1030 nm hullámhosszon. Az impulzusok egy kis részével szélessávú sugárzást, ún. fehér fényt keltünk, míg a maradék impulzusenergiával a passzív CEP-stabilitást biztosító különbségifrekvencia-keltő egységet működtetjük. Ennek kimenetét frekvencia-kétszerezve, OPA technikával erősítve, majd időben összenyomva a kapott impulzusokat, egy további frekvencia-kétszerezéssel állítjuk elő a kívánt 800 nm központi hullámhosszú impulzusokat. Ezt a lézernyalábot aztán kettéosztjuk. A HF-100 rendszerbe menő nyalábot még további erősítéssel 2 mJ körüli értékre növeljük, majd keresztpolarizációs hullámkeltést alkalmazva a magimpulzusokat spektrálisan szélesítjük és egyúttal időbeli kontrasztjukat tovább növeljük.

A HF-PW karban megvalósított főerősítés a Ti:zafír technológián alapul, amellyel az erősítés során fellépő spektrális beszűkülés mellett is 20 fs időbeli hossznál rövidebb impulzusokat kaphatunk. Az erősített spektrum szélességének biztosításához további spektrális szűrést alkalmazunk az erősítő fokozatokban. A végső erősítőt két P60 típusú pumpalézer hajtja meg (60 J, 532 nm, 10 Hz), így a kompresszor után 34 J energiájú, 17 fs hosszúságú impulzusok állnak elő.

A HF-100 kart az ELI-ALPS saját eredményeire is támaszkodva saját fejlesztésében tervezi meg 2018 végére, megvalósítása 2019/20-ban várható. A saját kutatás-fejlesztési tevékenységünk legfontosabb idevágó elemei a polarizáció-kódolt CPA erősítés, valamint a Ti:zafír alapú korongerősítő technológia.

3.táblázat

Paraméterek

HF-PW kar

HF-100 kar (tervezett)

Csúcsteljesítmény

2 PW

50 TW

Impulzushossz

<17 fs

<10 fs

Központi hullámhossz

800 nm

800-850 nm

Ismétlési frekvencia

10 Hz

100 Hz

CEP stabilitás

NA

<250 mrad

Energiastabilitás

<1.5%

<1.5%

ASE kontraszt

1011

1011

Strehl-arány

>0.85

>0.85

 

 

MIR – Közép-infravörös (lágy)lézer

A MIR lézer jelentősen különbözik az ELI-ALPS többi lézerforrásától, mivel az elektromágneses spektrum egy másik tartományában működik, így egyedülálló technológiát képvisel. 15 W átlagteljesítményét 100 kHz-es ismétlési frekvencián és 3,1 µm-es központi hullámhosszon adja le, 4 optikai ciklusnál rövidebb időtartamú impulzusok formájában. Ez a lézer a 2,4-3,9 µm tartományban folytonosan hangolható, az impulzusok rendkívüli CEP stabilitása mellett. Mivel szinkronizálható a létesítmény többi elsődleges forrásával, ideális koincidencia kísérletek elvégzésére.

 

A MIR rendszer szíve egy OPCPA erősítőlánc, melyet egy 100 kHz-es ismétlési frekvencián működő nagyteljesítményű, kereskedelemben kapható itterbium (Yb) alapú vékony korong pumpalézer pumpál.

A regeneratív 200 W-os pumpalézer kiemelkedő minőségű 2 mJ-os, 1 ps-os impulzusokkal látja el az OPCPA egységeket. A pumpaenergia töredékével létrehozott ultra-szélessávú kontinuumot kombináljuk a pumpával egy különbségifrekvencia-keltő (DFG) egységben. A keletkező közép-infravörös tartományba eső 3,1 µm nyaláb az ezt követő OPA egységekben a kívánt szintre erősödik. Végül tömbi anyagban létrejött kompresszió biztosít kitűnő minőségű és stabilitású, néhány optikai ciklus hosszúságú impulzusokat [N].

A parametrikus erősítés folyamán (háromhullám-keverés), szükségszerűen jelen van egy harmadik, nem CEP-stabil nyaláb, mely az 1,4- 1,75 µm tartományba esik. E kimenet teljesítménye összemérhető a közép-infravörösével és 150 fs alá kompresszálható, így ez a nyaláb a pumpa-próba kísérletekben lesz hasznos.

 

Attoszekundumos impulzusok

Az ELI-ALPS elsődleges küldetése új szintre emelni az előállított extrém ultraibolya (XUV=extreme ultraviolet) attoszekundumos impulzusok minőségét az impulzusok energiájának, ismétlési frekvenciájának és azok fotonenergiájának tekintetében. Ezen cél megvalósítása csak a legmagasabb minőségű elsődleges lézerforrások birtokában lehetséges, és innovatívan, szakavatott módon megtervezett magasharmonikus nyalábvonalakkal biztosítható. Az ELI-ALPS létesítményében a nagy teljesítménysűrűségű attoszekundumos impulzussorozatok és az izolált impulzusok előállítása két módszerrel; gázokban (GHHG=Gas High Harmonic Generation), valamint szilárd felületen (SHHG=Surface High Harmonic Generation) történő magas harmonikusok keltésével valósul meg. Az ELI-ALPS kutatóintézetben működő másodlagos források várható teljesítménye, illetve ezen paraméterek már létező forrásokkal való összehasonlítása a 4. táblázatban látható.

4.táblázat: A jelenlegi XUV impulzusforrások és az ELI-ALPS-nál müködő attoszekundumos nyalábvonalak főbb paramétereinek összehasonlítása

 

Ismétlési frekvencia (Hz)

Impulzushossz (fs)

Impulzusenergia

(μJ)

Csúcsteljesít-mény (GW)

Hangolási tartomány (eV)

Szinkrotronok

≥ 106

102

≈ 10-9

≤ 10-9

10-3 - 105

SASE FEL #

1-5000

30 - 300

1 - 500

0.03 – 16

28 - 295

Seeded FEL *

10

≈ 100

20 - 100

0.2 – 1

12 - 60

GHHG

103 - 105

0.07 - 0.5

0.01

≤ 10-3

10 - 120

 

10 – 100

0.07 - 0.5

0.1 - 10

10-3 – 1

10 - 120

GHHG HR 

105

≤ 0.5

≤ 10-4

≈ 0.002

17 - 90

GHHG SYLOS 

103

≤ 0.5

≈ 1

≥ 2

10 - 70

SHHG SYLOS 

103

≤ 1

≤ 1-30

≤ 3

8 - 60

 A FEL-hez viszonyított becsült csúcsfényesség. ##FLASH-hez tartozó értékek, * FERMI@ELETTRA-hoz tartozó értékek.  Konzervatív becslés, az üzemelési értékek várhatóan jobbak lesznek.

Magas harmonikus keltés gázokban– GHHG

A gázokban történő magas harmonikus keltés jól megalapozott módszer attoszekundumos XUV impulzusok előállítására, amely folyamat során egy IR lézerimpulzust nemesgázzal töltött gázcellába vagy gázsugárba fókuszálnak. A megalapozottság ellenére számtalan kísérleti és technikai kihívást kell megoldani ahhoz, hogy teljes mértékben kiaknázhassuk az ELI-ALPS elsődleges lézerrendszerei által szolgáltatott kiemelkedő impulzusenergiák és ismétlési frekvenciák nyújtotta lehetőségeket. Az egyik legnagyobb problémát az aktív közeg ionizációja okozza, mely határt szab a keltő lézerimpulzusok csúcsintenzitásának.

Az ELI-ALPS négy, gáz ionizáción alapuló, magas harmonikusokat szolgáltató nyalábvonalat kínál, melyek közül kettőhöz a SYLOS, kettőhöz pedig a HR lézer biztosítja az IR lézerimpulzusokat. Mind a négy nyalábvonal elérhető lesz a felhasználók számára kísérleteik elvégzéséhez, ugyanakkor intézményünk fontos célja, hogy a nyalábvonalak segítségével az attoszekundumos forrásokat tovább fejlessze annak érdekében, hogy azok jellemzőit a felhasználok igényeihez igazítsa, és biztosítsa, hogy ezen források továbbra is az élvonalhoz tartozzanak. A nyalábvonalakat úgy terveztük, hogy mind SAP (izolált attoszekundumos impulzus) mind pedig APT (attoszekundumos impulzussorozat) üzemmódban lehessen őket üzemeltetni maximális XUV-fluxus mellett.

Habár a HR nyalábvonalakhoz mérsékeltebb impulzusenergiák tartoznak, a nagy ismétlési frekvencia (100 kHz) következtében nagy átlagteljesítmény jut az optikai elemekre. A vivő-burkoló fázis (CEP) fluktuációjának elkerülése illetve a csoportkésleltetés-diszperió (GDD) csökkentésének érdekében egyedi gyártású hűtött optikai elemeket kell használni.

 

 

A SYLOS lézerrendszerre épülő nyalábvonalak, előzetes optimalizálási tanulmányok alapján, gyenge fókuszálással érik el, hogy az attoszekundumos impulzusok a lehető legnagyobb hatékonysággal keletkezzenek. 

 

A SYLOS LONG nyalábvonal (a nyalábvonal sematikus elrendezése a 3. ábrán látható) egy nagyon hosszú, gyenge fókuszálású elrendezésben (20-55 m) és - ezzel összhangban - alacsony nyomású (néhány mbar) gázzal töltött hosszú (néhány 10 cm) gázcellában éri el a harmonikuskeltéshez szükséges fázisillesztést. Ezzel szemben a SYLOS COMPACT nyalábvonal (sematikus rajzát lásd a 4. ábrán) az előbbinél rövidebb fókusztávolságú (3-10 m) gyenge fókuszálással, nagyobb nyomású (néhány bár) gázban, rövidebb kölcsönhatási hosszon biztosítja a fázisillesztést. Mindkét rendszer lehetőséget kínál a kimeneti teljesítmény további növelésére a kvázi-fázisillesztés által több keltési zóna (gázcella) beillesztésével. A fennmaradó, XUV tartományba át nem alakult IR lézerfény eltávolítása a SYLOS LONG nyalábvonal esetén a keltő és keletkező impulzusok különböző divergenciájának felhasználásával, a SYLOS COMPACT nyalábvonal esetén gyűrűszerű lézernyalábok alkalmazásával majd apertúrázással történik. Emellett XUV-visszaverő és IR-transzmittáló szilícium lapokkal szűrhető ki a fennmaradó IR komponens. 

 

SYLOS Phase 1 esetén a lézerimpulzusok hossza túl nagy ahhoz, hogy izolált attoszekundumos impulzust kelthessenek, ezért az XUV generálási időt a vivőhullám egyetlen félciklusára kell limitálni, amihez kapuzásos technika alkalmazására van szükség. SYLOS Phase 2 esetén mindez szükségtelenné válik, hiszen ebben az esetben a lézer impulzushossza 2 optikai ciklus alatt van. Az 5. táblázat a SYLOS lézer impulzusainak segítségével előállított attoszekundumos impulzusok jellemzőit mutatja be a SYLOS LONG másodlagos forrás esetén.

5. táblázat

 

 

Phase 1

Phase 2

Attosecond 

pulses

trains

Isolated 

attosecond

 pulses

Attosecond

pulse

trains

Isolated 

attosecond

 pulses

Spectral range (eV)

17-30 eV (generating gas: xenon or krypton, aluminum filter)

Output energy at the end station interaction point (pJ)

15-50

5-15

85-250

25-90

Spectral range (eV)

25-55 eV (generating gas: argon, aluminum filter)

Output energy at the end station interaction point (pJ)

5-25

3-8

35-125

10-35

Spectral range (eV)

70-90 eV (generating gas: neon, zirconium filter)

Output energy at the end station interaction point (pJ)

3-10

1-3

15-45

4-15

 

 

Szilárd anyag felszínén keltett magasrendű harmonikusok előállítása - SHHG

Egy ultrarövid, nagy időbeli kontraszttal rendelkező lézerimpulzus és felületi plazma relativisztikus kölcsönhatásakor bekövetkező magasrendű harmonikus keltés lehetőséget biztosít arra, hogy fényvisszaverődés segítségével történjen az attoszekundumos impulzusok keltése. Az intenzív (I > 1017 Wcm-2) ultrarövid lézerimpulzus felfutó éle egy optikai minőségűre polírozott szilárd anyaggal kölcsönhatásba lépve egy vékony, magas fényvisszaverő képességű plazma réteget (plazmatükör, PM=Plasma Mirror) hoz létre a szilárd anyag felszínén. Ha a beérkező fényimpulzus polarizációs iránya a beesési síkba esik, a főimpulzus nemlineáris kölcsönhatásba lép a plazmatükörrel. A periodikusan ismétlődő, relativisztikus elektrondinamika következtében a plazmatükör a visszavert fényben időben periodikus csúcsokat hoz létre.

 

Szilárd anyag felszínén keltett magasrendű harmonikusok előállítása (SHHG=Surface High Harmonic Generation) két, egymással versengő fizikai mechanizmuson keresztül lehetséges, amik közül az egyes folyamatok dominanciáját elsősorban a lézerimpulzus intenzitása illetve a plazmatükör gradiense határozza meg. A koherensen ébredő tér keltésekor (CWE=Coherent Wake Emission) a lézer- és a plazma tér kombinációja kirántja a felületi elektronokat a plazmából a vákuumba, majd azután azok visszazuhannak a magas sűrűségű plazmába. Ez a folyamat töltéssűrűség-hullámokat gerjeszt a visszatérő elektronokhoz kapcsolódó ébredő térben a plazmasűrűség-gradiensen keresztül. Ezek a plazmaoszcillációk bocsátják ki a lézer optikai ciklusánál rövidebb fényimpulzusokat a lézertér minden optikai ciklusában, és emiatt a beérkező lézernyaláb páros és páratlan felharmonikusai is megjelennek a keltett sugárzásban. Magasabb lézerintenzitás értékeknél (2 ≳ 1018 Wcm-2μm2) az elektronok mozgása relativisztikussá válik a lézertér hatására. A fényvisszaverő plazmafelület relativisztikus oszcillációja a visszavert fény periodikus Doppler-eltolódáshoz  vezet, ami a visszavert spektrumban fázisillesztett ”ROM” (=Relativistic Osicllating Mirror, Relativisztikus Oszcilláló Tükör) harmonikus frekvenciákat hoz létre. Mindkét mechanizmus olyan sugárzás előállítását teszi lehetővé, amely jellemzői alapján az alacsonyabb lézerintenzitásokkal gázokban keltett esetet jól kiegészítő attoszekundumos impulzusforrásként szolgálnak. Az SHHG és GHHG ezen, egymást kiegészítő tulajdonságai a 6. táblázatban olvashatók.

6. táblázat: A gázban és plazma tükör relativisztikus gerjesztésével keltett magasrendű harmonikusok összehasonlító jellemzése. Az SHHG jellemzői lineárisan polarizált egyszínű keltésre vonatkoznak

Tulajdonságok

Gázban keltett magasrendű harmonikusok

Szilárd anyag felületén keltett magasrendű harmonikusok

Magasrendű harmonikus spektrum

Csak páratlan harmonikusok

Mind páros, mind páratlan harmonikusok

Attoszekundumos csúcsok ciklusonként

Ciklusonként kettő, π fázistolással

Minden ciklusban egy, amelyek fázisban vannak

Magasrendű harmonikusok levágása és intenzitása

A telítési intenzitás korlátozza. A harmonikus intenzitás és a spektrális levágás a telítési intenzitás után nem növelhető tovább.

Nincs korlátozás. A harmonikusok intenzitása a lézer intenzitásával skálázódik, a spektrális levágási pont pedig vagy az anyagi minőségtől függ (CWE) vagy a lézer intenzitásával nő (ROM).

Fázisillesztettség

A gázban keltett magasrendű harmonikusok transzmisszióban keltődnek. A terjedés során fázisillesztettségre van szükség intenzív harmonikusok keltéséhez. A keltett harmonikusok tulajdonságai függenek a fázisillesztettségtől.

Szilárd anyag felszínén keltett magasrendű harmonikusok reflektálódva keltődnek. A fázisillesztettséget maga a fizikai folyamat biztosítja.

Sugárzási jellemzők idő- és térbeli csatolódás (STC=Spatio-Temporal Couplings)

A magasrendű harmonikusok jellemzőinek alapvetően van idő- és térbeli csatolódása függetlenül a fázisillesztettségtől.

Szilárd anyag felszínén keltett magasrendű harmonikusok keltése esetén nincs alapvetően idő- és térbeli csatolás.

A HHG sugárzás használata a forrás vizsgálatára

GHHG harmonikusokat atomi, molekuláris és kondenzált anyagok szerkezeti és dinamikai vizsgálata során alkalmaznak.

A szilárd anyag felszínén keltett magasrendű harmonikusokat attoszekundumos elektron dinamika vizsgálatára alkalmazzák a mikron mérettartományba eső plazmában.

Az ELI-ALPS kutatóintézetben két nyalábvonal fogja azt a célt szolgálni, hogy kiaknázza az SHHG-ban rejlő lehetőségeket: az egyiket a SYLOS, a másikat pedig a HF lézer impulzusai táplálják. Mindkét nyalábvonal kutatásfejlesztési célokat is szolgál, tehát fontos küldetésük, hogy a nagyintenzitású, relativisztikus jellemzőkkel bíró lézer-anyag kölcsönhatásokat és XUV-sugárzáshoz kötődő tudományterületek csúcstechnológiájának határait minél szélesebbre tolják.  

Csupán a fókuszálási feltételek és a plazmajellemzők változtatásával a SYLOS SHHG nyalábvonala képes lesz elérni mind a CWE, mind a ROM SHHG tartományt. Az ”alacsony kontrasztú mód” gyenge fókuszálást alkalmaz annak érdekében, hogy a beérkező lézerintenzitás a ROM küszöb (1018 Wcm-2) alatt maradjon, míg a ”magas kontrasztú mód” egy további plazmatükrös eljárást használ az impulzus kontrasztjának javítására és ezután, ezt a ”tiszta” impulzust erősen fókuszáljuk a céltárgyra a
~ 10­19 – 1020 Wcm-2 intenzitás eléréséhez. A 9. ábra szemlélteti a SYLOS SHHG nyalábvonalat.

 

 

A SHHG céltárgyon kialakuló plazma sűrűségprofiljának és a néhányciklusú lézerimpulzusok fázisának finomhangolása lehetővé teszi a létrehozott attoszekundumos impulzusok időbeli jellemzőinek optikai ciklusnál finomabb állíthatóságát. Az SHHG SYLOS nyalábvonal lesz az első olyan SHHG nyalábvonal, amely a relativisztikus intenzitások megtartása mellett kHz-es ismétlési frekvencián működik.

7. táblázat: Az SHHG SYLOS nyalábvonal tervezett specifikációi

Attoszekundumos impulzusok adatai

SYLOS 1

SYLOS 2

Impulzussorozat

Izolált impuzus

Impulzussorozat

Izolált impuzus

Spektrális tartomány*

8–40 eV

6–20 eV

8–60 eV

6–40 eV

Impulzusenergia az SHHG forrás esetén*

1–10 μJ

0.3–3 μJ

3–30 μJ

1–10 μJ

Impulzusenergia a kísérleti állomás kölcsönhatási tartományában*

0.3–3 μJ

0.1–1 μJ

1–10 μJ

0.3–3 μJ

Impulzushossz a kísérleti állomás kölcsönhatási tartományában*

10 fs

1 fs

5 fs

1 fs

Foltméret a kísérleti állomás kölcsönhatási tartományában

10 μm

10 μm

10 μm

10 μm

Az SHHG forrás esetén kibocsátott nyaláb divergenciája

1 rad

Polarizációs állapot

lineáris, vízszintes

*A becslések egylövéses, hosszú lézerimpulzust alkalmazó, nagyenergiájú lézerkísérleteken alapulnak.

.

Az SHHG PW nyalábvonal képes lesz a 10­21 – 1022 Wcm-2 nagyságrendbe eső fókuszált intenzitás elérésére, ami lehetővé teszi az extrém módon relativisztikus lézerplazma kölcsönhatások vizsgálatát, ahol a ROM folyamaton alapuló SHHG hatékonysága és a lefedett spektrális tartomány megnő, megnyitva az utat még intenzívebb és még rövidebb attoszekundumos impulzusok felé.

Az SHHG céltárgyon kialakuló plazmasűrűség-profiljának finomhangolási lehetősége, a céltárgy csúcstechnológiájú, visszacsatoláson alapuló stabilizálása, valamint a HF-PW lézer által biztosított nagy tér- és időbeli kontrasztú fókuszálás egyedi felhasználói kísérletek elvégzését teszi majd lehetővé a fejlesztési időszak után. Az SHHG PW emellett az első olyan SHHG nyalábvonal lesz, ami 10 Hz ismétlési frekvencián, petawattos ultrarövid lézerimpulzusokkal dolgozik.

A kutatóintézet továbbá saját elektromos-, mechanikai- és optikai műhellyel rendelkezik, hogy a változatos kísérleti igényeknek megfelelő, egyedi komponensek helyben előállíthatók lehessenek.