Kutatási projekt

Lézerfejlesztés


HASZNOSÍTHATÓSÁG SZINTJE

Fejlesztés (termék-, eszköz-, szolgáltatás fejlesztése)

KUTATÁSI PROJEKT LEÍRÁSA

 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.

      Eddig csak nagyon kevés kísérletet végeztek rövid optikai impulzusok elektron-nyalábbal pumpált excimer rendszerekben történő erősítésére vonatkozóan. Ezen megközelítések mérsékelt sikere annak tulajdonítható, hogy a rendszer eleje és a végső teljesítményerősítő között – technológiai okokból – kimaradt egy középső erősítési szakasz, így az erősítő modulból nem tudták kinyerni a hasznos energiát.

      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, MgF2és 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.

      Az SZTE KFT-n a KFKI RMKI Plazmafizikai Főosztályának együttműködésében végzett lézerplazma kísérletekhez két targetkamra áll rendelkezésre. Az eddigi kísérleteket egy f/10-es lencsével fókuszálva mérsékelt, 5x1015 W/cm2-es intenzitással végeztük. A nemrég elkészült új targetkamrában parabola tükörrel fókuszálva 1 μm-es nyalábátmérővel 1018 W/cm2-es intenzitást értünk el.