Az emberiség a mérési precizitásban az utóbbi évszázad során óriási ugrást ért el. Mind az ipari, mind pedig a tudományos területeken nagy előrelépést jelentett a koherens fénynyalábok előállítására alkalmas lézer feltalálása [1], amely a precizitás egy új fokának felfedezését indította el. Ennek egyik kicsúcsosodása, hogy az Einstein által 1917-ben megfogalmazott indukált emisszióra vonatkozó elméletből eljutottunk a lézerek kutatásban, orvostudományban, sőt a mindennapokban való széleskörű használatához. A lézerek, mint potenciálisan nagy intenzitású koherens fénynyalábok előállítására alkalmas eszközök segítségével az anyag addig lineáris tartományba eső válaszától eltérő, nemlineáris effektusok kimutatása is lehetségessé vált. Számos elméleti munkát serkentettek ezek az újonnan felfedezett jelenségek, amelyek közül többre csak a közelmúltban volt lehetőség kísérleti bizonyítékot szerezni. Az ugyancsak Einstein által, 1916-ban megjósolt gravitációs hullámok létezésének kísérleti bizonyítékát 2016-ban, éppen száz évvel később a lézerek segítségével sikerült kimutatni [2]. A gravitációs hullámok interferometrikus módszerrel való detektálása egyike a fizika alapvető felfedezéseinek, és a mérési precizitás egyik csúcsát képviseli.
A rövid időskálán lejátszódó jelenségek megfigyelése a természet építőköveinek alapvető megértéséhez szükséges lépés a kutatók számára. Ehhez olyan rövid felvillanásokra van szükség, amelyek időtartama a vizsgált jelenségénél rövidebb, ezáltal feloldva azt. A lézerek fejlődésének egyik kulcsmomentumát ezért az ultrarövid (továbbiakban jellemzően az 1 ps alatti időbeli hosszúságú) impulzusok előállítása jelentette (1 ps = 10-12 s), amely megnyitotta az utat az olyan rövid természeti jelenségek megfigyelése felé, mint atomok és molekulák mozgása. Ezek a mozgások a femtoszekundumos (1 fs = 10-15 s) időskálán játszódnak le, és ismeretük számos kémiai és biológiai jelenség megértéséhez alapvető fontosságú [3]. Az ultrarövid impulzusok előállítására elsőként szerves festékanyagokból álló aktív közegeket alkalmaztak, majd szilárdtesteken, gázokon, optikai szálakon, valamint félvezetőkön alapuló elrendezésekkel is sikerült ultrarövid hullámcsomagokat generálni. Az energiatárolási képességek terén nyújtott teljesítményük, valamint kedvező fizikai tulajdonságaik miatt a szilárdtest alapú lézerek bizonyultak a legsikeresebbnek. Számos hordozó anyagot, jellemzően kristályokat használtak, amelyeket olyan fémionokkal adalékolva, mint az itterbium (Yb), titán (Ti), holmium (Ho), erbium (Er), vagy a túlium (Tm), a láthatótól (600 nm) egészen a középinfravörös hullámhosszakig (2 µm) értek el femtoszekundumos tartományba eső impulzusokat eredményező lézerműködést. A szilárdtest lézerek közül mind az ultrarövid impulzusok előállítására, mind pedig azok erősítésére abszorpciós és emissziós sávjaik, illetve kiváló fizikai tulajdonságaik miatt a titán ionokkal adalékolt zafír (Ti:Al2O3, továbbiakban Ti:Sa az angol Ti:Sapphire elnevezés után) kristályok lettek messzemenően a legsikeresebbek. Az ultrarövid impulzusok generálásukat követően az előállításhoz szükséges lézerelrendezés stabilitási megfontolásai miatt, jellemzően alacsony energiával rendelkeznek, amely számos alkalmazáshoz nem elegendő. Lehetőség van azonban az impulzusokban tárolt energia megnövelésére, amit optikailag pumpált lézererősítőkben szokás elvégezni. A lézererősítők segítségével ultranagy intenzitású elektromágneses tér állítható elő, amellyel a fény-anyag kölcsönhatás révén plazmát kelthetünk, továbbá akár elektron, vagy proton gyorsítást érhetünk el, valamint röntgen- illetve gamma impulzusokat is létrehozhatunk. Az így kapott sugárforrások nem csupán az alapkutatásban, de például az orvosi diagnosztikai és terápiás eljárásokban is kiemelt fontosságúak.
A legkorszerűbb lézerek segítségével néhány optikai ciklusból álló, több terrawatt (1 TW = 1012 W), illetve megközelítőleg tíz optikai ciklusból álló és akár több petawatt (1 PW = 1015 W) csúcsteljesítményű impulzusok állíthatóak elő. A fény tér- és időbeli lokalizációjának új szintre emelését
2
a nagyintenzitású lézerek segítségével előállított, az elektromágneses spektrum extrém ultraibolya tartományába eső sugárzás felhasználásával sikerült elérni, amely révén megszületett az attoszekundumos tudomány (1 as = 10-18 s). Az attoszekundumos időtartományba eső impulzusok segítségével megfigyelhetővé vált az elektronok molekulákban és atomokban való kollektív és individuális mozgása, amely széleskörű betekintést nyújtott például az ionizált gázokban és félvezetőkben bekövetkező elektroneloszlás-változásokra [3]. Ennek köszönhetően a nagyintenzitású, néhány ciklusú lézerimpulzusok napjaink egyik legfontosabb alkalmazása az izolált attoszekundumos impulzusok előállítása. Ahhoz, hogy kontrollált módon tudjunk a lézertér és például nemesgázok kölcsönhatásából magasharmonikus sugárzást létrehozni, majd abból izolált attoszekundumos elektromostér-oszcillációkat nyerni, a keltő lézertér csúcsintenzitásának megléte nem elegendő. A néhánytól az egyciklusú impulzusokig a vivőhullám és a burkoló egymáshoz viszonyított pozíciója, illetve annak változásai a fény-anyag kölcsönhatás kimenetelét alapvetően meghatározzák. Emiatt a lézerimpulzusok mind amplitúdóban, mind pedig fázisban kontrollált előállítása kiemelt fontosságú.
Egy mérés során a mintára vagy másodlagos forrásba érkező impulzusok paramétereinek stabilitása kritikus lehet. Különösen igaz ez az állítás a fázis impulzusról impulzusra, valamint a hosszabb időskálán bekövetkező változásaira.
A lézererősítők működésének egyik fő problémája az erősítő közegben fellépő hőterhelés. Szilárdtest lézerek esetén ugyanis az aktív közeg gerjesztése fénnyel történik, amely intenzitás spektrumának nagy része a lézerközeg abszorpciós sávjába esik. Az erősítő közegben tárolt energiát indukált emisszió révén kicsatoljuk, azonban az erősítés mellett energiaveszteség is jelentkezik, amely hő formájában terheli a közeget. Az említett probléma az elnyelt átlagteljesítménnyel skálázódik.
I.1. ábra Néhány lézerrendszer csúcs- és átlagteljesítményének összehasonlítása. Pirossal jelöltem a Ti:Sa alapú rendszereket: 1 [4], 2 (HERCULES) [5], 3 (J-KAREN) [6], 4 (VEGA 2) [7], 5 (BELLA PW) [8], 11 (ELI-NP HPLS) [9], 14 (k-BELLA projekt, tervezés alatt) [10]. Kékkel jelöltem a hibrid, optikai parametrikus (OPCPA) és Ti:Sa erősítőkön alapú rendszereket: 6 (APOLLON) [11], 7 [12], 9 (ELI-Beamlines HAPLS) [13], 10 (ELI-ALPS HF-2PW) [14], 13 (ELI-ALPS HF-100) [14]. Végül két optikai parametrikus erősítésen (OPCPA) alapú rendszert is felvázoltam, ezeket zölddel jelöltem: 8 [15], és 12 (ELI-ALPS SYLOS 1) [16].
A lézererősítőkben lévő aktív közegek több geometriában is előfordulhatnak, jellemzően hengeres rúd alakúak. Ugyanakkor számos olyan konfigurációt is találhatunk, amelyekben téglatest, korong, vagy akár optikai szál formájában jelenik meg az erősítő közeg. Az aktív közeg geometriájának nem csupán az erősítő elrendezés és a pumpálás szempontjából van jelentősége, hanem annak hűtését is alapvetően meghatározza. Jellemzően ugyanis a pumpanyaláb révén intenzív hőterhelés éri az aktív közeget, amely
1 2
3
4 5 6
8 7
9 10 11
12 13
14
3
effektív hűtést igényel emiatt. Ennek eredményeképpen az adott erősítő rendszer által előállított impulzusenergia, ismétlési frekvencia, és így átlagteljesítményének felskálázását az erősítő egységek hűtése erősen limitálja. A legtöbb esetben szobahőmérsékleten, jellemzően vízhűtéses módszerrel hűtik a lézererősítők aktív közegét. Nagy átlagteljesítményű nyalábok előállítása során azonban szükséges kriogenikus hőmérsékletre lehűteni a lézerközeget, amely révén annak fizikai, illetve spektroszkópiai tulajdonságai előnyösen változnak meg, és így kedvezőbb lézerműködés érhető el. Néhány fontosabb nagy csúcsteljesítményű lézerrendszert az I.1. ábra szemléltet. A legmodernebb, jelenleg telepítésre kerülő lézerek közül az I.1. ábrán 9-es és 10-es számmal jelölt rendszerek kiemelkedőek a csúcs- és az átlagteljesítmény tekintetében is. A tervezés alatt álló, 13-as és 14-es számmal jelölt lézerek megvalósításához további kutatás-fejlesztés szükséges (I.1. ábra, zöld és lila nyilak).
Értekezésem során a Ti:Sa alapú lézererősítés során fellépő fázisinstabilitások feltérképezésén, valamint a nagyenergiájú erősítők csúcs- és átlagteljesítményének felskálázási lehetőségeinek vizsgálatára fogok fókuszálni. A munkám során keletkezett új tudományos eredmények megértéséhez szükséges alapvető fogalmakat, mérési módszereket, illetve berendezéseket a dolgozat első szakaszában fogom ismertetni. Ez a rövid tudományterületi összefoglaló tartalmazza az ultrarövid impulzusok terjedésének, illetve erősítésének matematikai leírását. Ismertetni fogom a nagyintenzitású erősítő rendszerek felépítését és működését. Röviden bemutatom továbbá a lézerek átlagteljesítményének növelésére nagy sikerekkel alkalmazott koronglézer architektúra jellemzőit. Végül pedig be fogom mutatni az impulzusok vivőhulláma és burkolója közötti fáziskülönbség jellemzőit, és a stabilitásával kapcsolatos problémákat. Az elméleti alapok bemutatását követően rátérek tudományos munkám motivációira, valamint néhány pontban összegezni fogom a célkitűzéseimet. A dolgozat hátralévő részében a kutatásaim során keletkezett új tudományos eredményeimet fogom részletezni. Ezek az eredmények magukban foglalják a víz- és kriogenikus hűtésű multipasszos erősítők spektrális- és vivő-burkoló fázisának stabilitásával kapcsolatos mérések eredményeit. Továbbá, tárgyalni fogom a nagyenergiájú Ti:Sa erősítők átlagteljesítményének növelését lehetővé tevő új típusú, koronglézer geometriájú erősítő elrendezés vizsgálata során született eredményeket. Végül bemutatom a koronglézer architektúrán alapuló nagyenergiás erősítők felskálázásával kapcsolatos szimulációim eredményeit.
A disszertációmban ismertetett kísérleti munkát a Szegedi Tudományegyetem Optikai és Kvantumelektronikai Tanszékének TeWaTi Femtoszekundumos Lézer Laboratóriumában, valamint a Berlinben található Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie im Forschungsverbund Berlin e. V. intézetben végeztem el. A nagyenergiájú korongerősítőkkel kapcsolatos numerikus modellezést az ELI-ALPS Kutatóközpont (ELI-HU Nonprofit Kft.) számítástechnikai infrastruktúrájának felhasználásával valósítottam meg.
4