[PPT] - Lzerrel pumplt terahertzes forrsok s Lzerrel pumplt terahertzes PowerPoint Presentation

SLIDE 1

Institute of Institute of Physics Physics

www.physics.ttk.pte.hu

Lézerrel pumpált terahertzes források és Lézerrel pumpált terahertzes források és alkalmazásaik

Fülöp J. A.1,3, Pálfalvi L.2, Ollmann Z.2, Almási G.1,2, Hebling J.1,2

1 MTA‐PTE Nagyintenzitású Terahertzes Kutatócsoport, Pécs 2 Pécsi Tudományegyetem, Fizikai Intézet, Pécs 3 ELI‐HU Nkft., Szeged

, g

Fizikus Vándorgyűlés, Debrecen, 2013. aug. 21‐24.

SLIDE 2

A THz‐es tartomány az elektromágneses spektrumban

Frekvencia: ν = 0,1 – 30 THz Hullámszám: λ–1 = 3 3 – 1000 cm–1 Hullámszám: λ = 3,3 1000 cm Hullámhossz: λ = 10 – 3000 µm

12:00

radio microwave infrared UV X-ray THz visible

108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017

radio microwave infrared UV X-ray THz frequency (Hz)

108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017

SLIDE 3

Miért érdekes a THz‐es tartomány?

Nagy molekulák rotációs frekvenciája a THz‐es tartományba esik Fontos biomolekulák abszorpciós spektruma érzékeny a molekulák Fontos biomolekulák abszorpciós spektruma érzékeny a molekulák konformációjára Molekulák hidratációs környezete tanulmányozható Magas hőmérsékletű szupravezetők karakterisztikus frekvenciája Töltéshordozók szilárdtestekben Orvosi alkalmazások Biztonságtechnika Biztonságtechnika

transmission reflection

ptical
ptical

THz

SLIDE 4

THz‐es spektrális képalkotás

Hamisszínes kép különböző THz hullámhosszakon készített felvételek alapján. A kémiai összetétel h á h ó b ó meghatározható a THz abszorpció alapján. Látható fényben készített felvétel

SLIDE 5

THz‐es sugárzás fehérjéből

Bakteriorodopszin molekula fényenergia felhasználásával protonokat pumpál a p p p membránon át a sejten kívülre. Az így keletkező protonkoncentráció‐ gradiens kémiai g energiává alakul, amit a sejt felhasznál.

G I G J H bli t l PNAS 2008

A protonpumpa töltésmozgása THz‐es sugárzást kelt.

G.I. Groma, J. Hebling et al., PNAS 2008

SLIDE 6

THz‐es impulzusok alkalmazásai

)

0,4 0,6 0,8 1,0

0 5 1,0

amplitude (a. u.)

u.)

Emax

1 2 3 0,0 0,2

0,0 0,5

Spectral Frequency (THz)

ctric field (a. u

0,5

Elec

Lineáris THz‐es spektroszkópia (Emax ≈ 100 V/cm → 10 fJ impulzus energia)

2

2 4 6 8

time (ps)

p p ( max / p g )

grafén, szén nanocsövek, molekuláris mágnesek, hidratált molekulák, stb. vizsgálata

Nemlineáris THz es spektroszkópia (E ≈ 100 kV/cm → µJ impulzus energia) Nemlineáris THz‐es spektroszkópia (Emax ≈ 100 kV/cm → µJ impulzus energia)

THz pumpa – THz próba mérések

SLIDE 7

Intenzív THz‐es impulzusok alkalmazásai

TH li á i ik é k kó i

THz‐es nemlineáris optika és spektroszkópia

– Impact ionization in InSb, THz pump–THz probe Hoffmann et al., Phys. Rev. B, 2009 – Bleaching of absorption Razzari et al., Phys. Rev. B, 2009 – Nonequilibrium carrier distribution q Hebling et al., Phys. Rev. B, 2010 – Exciton generation in multiple quantum wells and carbon nanotubes and carbon nanotubes Hirori et al., Phys. Rev. B, 2010 Watanabe et al., Opt. Express, 2011

Anyagi tulajdonságok kontrollálása THz‐es térrel
Anyagi tulajdonságok kontrollálása THz‐es térrel

– Ultrafast gating of interlayer charge transport in a superconductor Dienst et al Nat Photon 2011 Dienst et al., Nat. Photon., 2011 – Molecular orientation and alignment Fleischer et al., PRL, 2011 – Intense THz pulses activate DNA damage response in human skin tissue Titova et al., Biomed. Opt. Express, 2013

SLIDE 8

THz‐es impulzusok alkalmazásai

)

0,4 0,6 0,8 1,0

0 5 1,0

amplitude (a. u.)

u.)

Emax

1 2 3 0,0 0,2

0,0 0,5

Spectral Frequency (THz)

ctric field (a. u

0,5

Elec

Lineáris THz‐es spektroszkópia (Emax ≈ 100 V/cm → 10 fJ impulzus energia)

2

2 4 6 8

time (ps)

p p ( max / p g )

grafén, szén nanocsövek, molekuláris mágnesek, hidratált molekulák, stb. vizsgálata

Nemlineáris THz es spektroszkópia (E ≈ 100 kV/cm → µJ impulzus energia) Nemlineáris THz‐es spektroszkópia (Emax ≈ 100 kV/cm → µJ impulzus energia)

THz pumpa – THz próba mérések

Töltött részecskék gyorsítása, manipulálása Töltött részecskék gyorsítása, manipulálása (Emax ≈ 100 MV/cm → 10 mJ impulzus energia)

proton‐ és relativisztikus elektronnyalábok gyorsítása, röntgen szabad‐elektron lézer, stb.

SLIDE 9

Rövid impulzusú THz‐es források

[1] Daranciang et al.,

Appl. Phys. Lett.,

2011 [2] Chiadroni et al., Appl.

Phys. Lett., 2013

[3] Hauri et al., Appl.

Phys. Lett., 2011

[4] Ruchert et al., Opt. Lett., 2012 [5] Fülöp et al., Opt. Lett., 2012 [6] Hirori et al., Appl.

Phys. Lett., 2011

[7] Stepanov et al., Appl.

Phys. B, 2010

[8] Blanchard et al., Opt. Express, 2007 [9] Sell at al., Opt. Lett., 2008 [10] Kim et al., Nature Photon., 2008 [11] Thomson et al., Opt. Express ,2010 [12] Rodriguez et al., Opt. Express, 2010 [13] Jones et al., Phys.

Rev. Lett., 1993

SLIDE 10

Optikai egyenirányítás [ ] [ ]2

THz 2 2 3 2 2 2 eff 2 THz THz

4 4 sinh 2

THz

L L e c n n I L d

L

α α ε ω η

α

⋅ ⋅ =

−

A hatásfok függ …

[ ]

THz THz

4 L c n nv α ε a THz frekvenciától:

2 THz THz

ω η ∝ az anyagi paraméterektől:

( )

ω α n d , ,

THz eff

( ) ( )

THz p laser g

ω ω v v = a fázisillesztéstől → sebességillesztés:

L << 1

2 2 2

2 I L deff ω η

eff L

d FOM

2 2

Figure of merit (FOM):

αTHzL << 1

3 2

c n n

THz v ff THz

ε η =

2 2

8 I deff ω

THz v ff NA

n n FOM

2

=

2

4

ff

d

αTHzL >> 1

3 2 2

8 c n n d

THz THz v eff THz

α ε ω η =

2 2

4

THz THz v eff A

n n d FOM α =

SLIDE 11

Optikai egyenirányításra használható anyagok

Anyag deff [pm/V] ng @ 800 nm (1.55 µm) nTHz αTHz [cm‐1] FOM (L = 2 mm)

2 2/ 2

[pm/V] @ 800 nm (1.55 µm) [cm ] [pm2cm2/V2] CdTe 81.8 (2.81) 3.24 4.8 11.0 GaAs 65.6 4.18 (3.56) 3.59 0.5 4.21 GaP 24.8 3.67 (3.16) 3.34 0.2 0.72 ZnTe 68.5 3.13 (2.81) 3.17 1.3 7.27 GaSe 28.0 3.13 (2.82) 3.27 0.5 1.18 sLiNbO3 @ 300 K @ 100 K 168 2.25 (2.18) 4.96 17 4.8 18.2 48.6 DAST 615 3.39 (2.25) 2.58 50 41.5

Hebling et al., JOSA B, 2008

Sebességillesztési feltétel:

( ) ( ) ( ) ( )

THz laser g THz p laser g

ω ω ω ω n n v v = → =

SLIDE 12

Döntött impulzusfrontú pumpálás

H bli t l O t E 2002 Hebling et al., Opt. Express, 2002

( )

Sebességillesztés

( )

THz p laser g

cos ω γ ω v v = ⋅

Legnagyobb THz impulzuseneregia ~100 fs g gy p g asztali forrásból 0.25 μJ Stepanov et al., Opt. Express, 2005 10 μJ Yeh et al Appl Phys Lett 2007 10 μJ Yeh et al., Appl. Phys. Lett., 2007 50 μJ Stepanov et al., Appl. Phys. B, 2010 125 μJ Fülöp et al., Opt. Lett., 2012

SLIDE 13

Vonalfókusz és döntött impulzusfrontú pumpálás

Stepanov et al., Opt. Express, 2005 Hoffmann & Fülöp, J. Phys. D, 2011

SLIDE 14

Lehetőségek a THz energia további növelésére

ptimális pumpáló impulzushossz

Fülöp et al., Opt. Express, 2011

kristály hűtése

LiNbO3 abszorpciós koefficiense:

3

p

T [K] α [1/cm] 10 0 35 10 0.35 100 2.1 300 16

kontakt rács használata

Pálfalvi et al Appl Phys Lett 2008 Pálfalvi et al., Appl. Phys. Lett., 2008 Fülöp et al., Opt. Express, 2010 Ollmann et al., Appl. Phys. B, 2012 Oll t l i ti Ollmann et al., in preparation

SLIDE 15

Effektív kölcsönhatási hossz

20
10

10 20

Pump propagation distance, ζ [mm] ps]

ε d n

Impulzusfront‐dőlés:

2

duration, τ [p

(a)

λ ε λ γ d d tan

g

n n − =

1

Pump pulse d 2Ld

anyagi diszperzió szög‐ diszperzió

LiNbO3

[%] τ0 = 50 fs

τ = 350 fs

P

GVD paraméter:

diszperzió diszperzió

LiNbO3 λp = 800 nm Fp = 5.1 mJ/cm2 Ωpm = 1 THz

( )

⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = =

−

2

2 2 1

λ λ ε λ λ d n d d d n c d v d D

g

4

(b)

L n efficiency [

τ0 350 fs

τ0 = 600 fs

⎦ ⎣ ⎠ ⎝ λ λ λ d d c d

2

(b)

Leff Hz generation

Martínez et al., J. Opt. Soc. Am. A, 1984

5

5

THz propagation distance, z [mm] TH

Martínez et al., J. Opt. Soc. Am. A, 1984 Hebling, Opt. Quantum Electron., 1996 Fülöp et al., Opt. Express, 2010

SLIDE 16

A pumpáló impulzushossz optimalizálása (LiNbO3)

Fülöp et al., Opt. Express, 2011

300 K

3.0

300 K m]

3.0

300 K m]

10

%] 300 K 100 K 10 K

2.0 2.5

300 K eld [MV/cm

2.0 2.5

300 K 100 K 10 K

2.8 MV/cm

eld [MV/cm

2.3 MV/cm 5

efficiency [

2 0% 1.0 1.5

eak electric fi

1.0 1.5

eak electric fi

500 1000 1500 2.0% 500 1000 1500 0.0 0.5 240 kV/cm 1.0 MV/cm

pe

500 1000 1500 0.0 0.5 240 kV/cm 1.0 MV/cm

pe

500 1000 1500

pump pulse duration [fs]

THz energia ≈ 25 mJ

500 1000 1500

pump pulse duration [fs]

500 1000 1500

pump pulse duration [fs]

τp = 500 fs Ep = 200 mJ

2

THz energia 25 mJ THz térerősség: 2.8 MV/cm fókuszálás nélkül Ip, max = 40 GW/cm2 → 10 MV/cm leképezéssel → 100 MV/cm fókuszálással

SLIDE 17

mJ impulzusenergiák felé: kísérlet

Együttműködésben az MPQ‐ val (Garching, Németország):

1000

experiment 1.6 power fit calculation

S. Klingebiel, F. Krausz, S.

Karsch

100

calculation square law y [μJ]

További lehetőségek:

Optimális impulzushossz

10

THz energy

LN @ T =300 K

Optimális impulzushossz

A LiNbO3 kristály hűtése
Kontakt rács

1

T

LN @ T =300 K lp = 1030 nm tp = 1.3 ps (not Fourier‐limited)

1 10 100 1

pump pulse energy [mJ]

Fülöp et al., Opt. Lett. 2012: 125 J Korábbi eredményekkel összevetve: Stepanov et. al., Appl. Phys. B, 2010: E 50 J 125 µJ 0.25% ETHz = 50 µJ η = 0.05% ×2.5 ×5

SLIDE 18

A kristály hűtése

Mért hatásfok‐növekedés: 3x kriosztát kriosztát rács lencse lencse LN prizma

SLIDE 19

THz energia a pumpáló energia függvényében: LiNbO3

10

5

10

5

τpump = 1.3 ps η = 0.25%

10

5

τpump = 1.3 ps η = 0.25% η = 3.8%

T = 40 K 10

4

)

10

4

η

T = 300 K

)

LN (Yeh, 2008) LN (Yeh, 2007)

Hz ener

10 10 ( e , 00 ) LN (Stepanov, 2005) LN (Stepanov, 2008)

TH

10 10 ( e , 00 ) LN (Stepanov, 2005) LN (Stepanov, 2008) LN (Fülöp, 2012)

TH

10 10 ( e , 00 ) LN (Stepanov, 2005) LN (Stepanov, 2008) LN (Fülöp, 2012)

TH

10 100 1000 10000 100000 10

1

10 100 1000 10000 100000 10

1

( p, ) 10 100 1000 10000 100000 10

1

( p, ) LN (Huang, 2013)

pump energy (μJ) pump energy (μJ) pump energy (μJ)

SLIDE 20

Kontakt rács

Javaslat: Pálfalvi et al., APL, 2008 Részletes tervezés: Ollmann et al., Appl. Phys. B, 2012 (LN) Oll l i i (Z T ) Ollmann et al., in preparation (ZnTe)

Diff ti ffi i f d 1 Diffraction efficiency for order ‐1 RIML for BK7 d = 350 nm pitch grating

SLIDE 21

PTE Nagyintenzitású Terahertzes Laboratórium

TH l b PTE TTK THz‐es labor, Hallgatói laborok (Helios) PTE SzKK Nagyintenzitású Terahertzes Laboratórium (kiépítés alatt)

SLIDE 22

Nagyintenzitású Terahertzes Laboratórium

– kiépítés alatt –

SLIDE 23

THz‐es infrastruktúra

THz‐es időtartománybeli spektro‐ THz‐es időtartománybeli spektro‐ méter (TDTS) Lineáris THz spektroszkópiához Nagyintenzitású THz‐es Menlo Systems, Tera K8 gy forrás és diagnosztika: Nemlineáris THz‐es vizsgálatokhoz Pumpáló lézer: 1 mJ / 1 kHz / 180 fs / 1.03 μm (Light Conversion, Pharos SP) ( g , ) THz forrás: 0.7 μJ @ 1 mJ pumpa Elektro‐optikai mintavételező Extrém nagyintenzitású THz‐es forrás: 8 mJ / 1 kHz / 200 fs pumpáló lézer / / p p 100 mJ / 500 fs utóerősítő Beszerzés/fejlesztés alatt

SLIDE 24

Extrém nagy térerősségű THz‐es impulzusok lehetséges alkalmazási területei

Relativisztikus elektroncsomagok gyorsítása, összenyomása

alkalmazási területei

Relativisztikus elektroncsomagok gyorsítása, összenyomása → egyciklusú MIR…XUV impulzusok keltése Hebling et al., arXiv:1109.6852 Elektron unduláció Hebling et al., arXiv:1109.6852 P t ítá Protongyorsítás (30 mJ THz energia szükséges 40 → 100 MeV gyorsításhoz) → hadronterápia Pálfalvi et al., submitted to Phys. Rev. Spec. Top. — Accel. and Beams Magas‐harmónikus keltés tulajdonságainak javítása

E Balogh et al PRB 2011

E. Balogh et al., PRB, 2011
K. Kovács et al., PRL, 2012

SLIDE 25

Elektrongyorsítás

TH THz beam

Gyorsítás Gyorsítás

Plettner et al., Phys. Rev. Spec. Top. – Accel. and Beams 9, 111301 (2006)

Nyaláb eltérítése, fókuszálása

Pl tt t l Ph R S T A l d B 12 101302 (2009)

1 GV/m = 10 MV/cm csúcs‐térerősség szükséges

Plettner et al., Phys. Rev. Spec. Top. – Accel. and Beams 12, 101302 (2009)

SLIDE 26

Protonok utógyorsítása THz‐es evaneszcens térrel

Lé l í láb kh

Pálfalvi et al., submitted to Phys. Rev. Spec. Protoncsomag több fokozatú gyorsítása és

Lézerrel gyorsított protonnyalábokhoz

Top. — Accel. and Beams

monokromatizálása 0.25 THz frekvencián

55 E0 = 0.7 MV/cm

ω/2π = 0.25 THz

d = 100 m eV) 1.stage 2.stage 3.stage 50 d = 100 μm nergy (Me g 4.stage 5.stage 45

utput en

20 40 60 80 100 40

42 → 56 MeV monochromatization rate: 10 %

rdinal number of the proton (i)

SLIDE 27

Attoszekundumos impulzusok keltése THz tér jelenlétében

Magas‐harmónikus keltés levágási frekvenciájának növelése

( ) ( )

t E t E t E

THz IR

ω ω cos cos ) (

1

+ = IR IR és THz terek együtt

( ) ( )

THz IR

) (

1

THz field THz aszimmetriát okoz

Hong et al., Opt. Express, 2009

THz Electric

Hong et al., Opt. Express, 2009

Páros és páratlan harmónikus rendek Ti

Lewenstein, Phys. Rev. A, 1994

IR ik i ikl ké Time IR optikai ciklusonként egy attoszekundumos impulzus

SLIDE 28

Attoszekundumos impulzusok keltése THz tér jelenlétében

E. Balogh et al., Phys. Rev. A, 2011

1560 nm

I 2 × 1014 W cm‐2 E = 388 MV/cm

800 nm

IIR = 2 × 1014 W cm 2 EIR = 388 MV/cm

E = 0 40 MV/cm ETHz = 0 … 40 MV/cm

SLIDE 29

Attoszekundumos impulzusok keltése THz tér jelenlétében

Kovács et al., Phys. Rev. Lett., 2012

Kvázi‐fázisillesztés

, y ,

250‐szeres hatásfok‐növekedés a levágási tartományban ETHz = 2 ÷ 6 MV/cm, WTHz = 2 ÷ 20 mJ a levágási tartományban

SLIDE 30

Nagyintenzitású THz‐es forrás az ELI‐ALPS‐ban

ELI‐ALPS: Attosecond Light Pulse Source of the Extreme Light Infrastructure (www.eli‐alps.hu) Felépítési fázis: 2013 – 2017. Koncepcionális tervezés Elsődleges (lézer) és Kutatási irányok: másodlagos (lézerrel meghajtott) források a THz‐től a röntgenig y

1. Valence electron science
2. Core electron science
3. Attosecond 4D imaging

Felhasználói források, forrás K+F

3. Attosecond 4D imaging
4. Ultrafast plasma dynamics
5. Biomedical applications

6 Manipulation of matter by intense THz fields

6. Manipulation of matter by intense THz fields

SLIDE 31

THz‐es impulzusok alkalmazási lehetőségei az ELI‐ALPS‐ban

P k W f Application area Energy [µJ] Peak electric field [MV/cm] Frequency [THz] Waveform (single‐ or multi‐cycle) Multispectral single‐shot imaging 10 0.1 1 – 30 single Nonlinear THz spectroscopy 1 > 0.1 1 – 30 single/multiple p py g / p THz‐assisted attosecond up to 3 000 (frequency dependent) 50 1 – 30 single pulse generation dependent) 3 000 5 1 – 4 multiple Investigations under the 10 – 3 000 1 – 100 < 0 5 – 2 single/multiple Investigations under the influence of extremely high THz fields 10 3 000 1 100 < 0.5 2 single/multiple Manipulation and > 100 1 40 < 0 5 5 single/multiple Manipulation and characterization of relativistic electron beams > 100 1 – 40 < 0.5 – 5 single/multiple Post‐acceleration of laser‐ generated proton beams 20 000 1 – 5 < 0.5 single Conceptual Design Report of the High‐Intensity THz Facility at ELI‐ALPS

SLIDE 32

MTA PTE N i t itá i T h t K t tó t Pé i T d á t Pé

Munkatársak, együttműködő partnerek

MTA‐PTE Nagyintenzitási Terahertzes Kutatócsoport + Pécsi Tudományegyetem, Pécs:

Almási G., Fülöp J. A., Hebling J., Kiliánné Raics K., Lombosi Cs., Márton Zs., Mechler M., Monoszlai B., Ollmann Z., Orbán J., Pálfalvi L., Polónyi Gy., A. Sharma, Tibai Z., Tóth Gy., Unferdorben M.

Szegedi Tudományegyetem, Szeged:

Balogh E., Kovács K., Varjú K.

MTA Wi

Fi ik i K t tókö t B d t

MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, Budapest:

Dombi P., Farkas Gy., Márton I.

Max Planck Institute of Quantum Optics, Garching, Németország:

p , g, g

S. Klingebiel, C. Skrobol, F. Krausz, S. Karsch, P. Baum, W. Schneider
Technical University of Vienna, Bécs, Ausztria:
A. Baltuska, A. Pugzlys, G. Andriukaitis
Helmholtz Zentrum Dresden‐Rossendorf, Németország:

T Cowan M Bussmann

T. Cowan, M. Bussmann
Paul Scherrer Institute, Villigen, Svájc:
C. P. Hauri, C. Vicario, Monoszlai B.
Amplitude Systemes, Bordeaux, Franciaország:
A. Mareczko, A. Courjaud

Financial support from Hungarian Scientific Research Fund grant numbers 101846 and 78262, from the National Development Agency grant number ELI_09‐1‐2010‐0013, and SROP‐4.2.1.B‐ 10/2/KONV‐2010‐0002 is acknowledged.

SLIDE 33

Összefoglalás

10 J iájú 100 MV/ fók ál é ő é ű TH 10 mJ energiájú, 100 MV/cm fókuszált térerősségű THz‐es impulzusok keltése a 0.1 – 1 THz frekvenciatartományon lehetséges döntött impulzusfrontú pumpálással, hatékony

2.0 2.5 3.0

300 K 100 K 10 K

2.8 MV/cm

ld [MV/cm]

2.3 MV/cm

diódapumpált szilárdtest‐lézerekkel A THz energia növelése: → optimális imp l shoss

0 0 0.5 1.0 1.5 240 kV/cm 1.0 MV/cm

peak electric fiel

→ optimális impulzushossz → kristály hűtése → kontakt rács nagyobb nyalábmérethez

500 1000 1500 0.0

pump pulse duration [fs]

Előrejelzéseineket alátámasztják a kísérletek: 125 µJ energia, 0.25% hatásfok (nem optimális!) 3 8% hatásfok (Huang et al Opt Lett 2012) 3.8% hatásfok (Huang et al., Opt. Lett., 2012) Új alkalmazási lehetőségek: nagy térerősségű THz‐es tudomány → nemlineárisTHz‐es spektroszkópia p p → molekulák, elektronok, ionok manipulálása PTE Nagyintenzitású THz‐es Laboraórium ELI‐ALPS: High‐Field THz Facility