1 / 52

Attofizyka

Attofizyka. O oddziaływaniu układów atomów z krótkimi i silnymi impulsami lasera. Jacek Matulewski e-mail: jacek@fizyka.umk.pl 10 listopada 2011. Attosekunda. 1. -18. 0. atto. Zapowiedź. Skala czasu, wielkości i energii w attofizyce rozwój nauki o procesach ultraszybkich

colleen-murphy
Download Presentation

Attofizyka

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Attofizyka O oddziaływaniu układów atomów z krótkimi i silnymi impulsami lasera Jacek Matulewski e-mail: jacek@fizyka.umk.pl 10 listopada 2011

  2. Attosekunda 1 -18 0 atto

  3. Zapowiedź • Skala czasu, wielkości i energii w attofizyce • rozwój nauki o procesach ultraszybkich • zwiększanie mocy laserów • MPI, ATI, HHG, OTBI i inne zjawiska • Generowanie impulsów attosekundowych • Attosekundowa kamera smugowa • Stabilizacja w silnych polach laserów attosek.

  4. Attofizyka Relacja z lektury m.in.: • F. Krausz, M. Ivanov Attosecond physicsRev. Mod. Phys. 81, 163 (2009) • A. Scrinzi, M. Ivanov, R. Kienberger, D.M. Villenueve Attosecond physicsJ. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 39, R1 (2006) • P.B. Corkum, Zenghu ChangThe Attosecond RevolutionOptics and Photonics News, Październik 2008 • Strona: www.attoworld.de

  5. Skala czasowa Zjawiska „attofizyczne” są na skali czasu tak samo odległe od codzienności, jak wielki wybuch Źródło: Jacek Matulewski, Wiedza i Życie, Nieskończenie długa sekunda, 05/2007

  6. Mikroświat Źródło: Ferenc Krausz, Misha Ivanov, Rev. Mod. Phys., Vol. 81, 2009 1 j.a. czasu = 24 as = 2.41·10-17 s 1 j.a. długości = 0.53 Å = 5.29177·10-11 m e0 = 1 j.a. odpowiada I = 3.51·1016 W/cm2 = 35.1 PW/cm2 w = 1 j.a. odpowiada l = 45 nm (XUV / X), T = 150 as Atom: Laser:

  7. Ewolucja ultrafast science

  8. Ultra silne pola zaburzenie

  9. Ultra silne pola zaburzenie

  10. Ultra silne pola konieczne podejście nieperturbacyjne Symulacje numeryczne ab initio

  11. Ultra silne pola • Pole wewnętrzne atomu: e0 = 1 a.u. (I0 = 3.51·1016 W/cm2) • Prawie wolny elektron (wpływ potencjału wiążącego to jedynie zaburzenie): e0 równe co najmniej 5 - 10 a.u. • Natężenie pola obecnych laserów: I = PW/cm2 = 1019 W/cm2 - 1020 W/cm2 (50 j.a.)Lasery attosekundowe: I = 1016 W/cm2 • Granica relatywistyczna…

  12. Ultra silne pola Źródło: Reiss, Phys. Rev 63 013409 (2000)

  13. Ultra silne pola • Granica relatywistyczna dla w = 1: e0 = 15 a.u. Od tego natężenia należy uwzględniać wpływ pola magnetycznego (np. magn. dryf). • Granica od której konieczny opis w pełni relatywistyczny (r. Diraca) dla w = 1: >50 a.u. • Szybka inicjacja fuzji jądrowej (fast ignition of nuclear fusion): I0 = 5·1020 W/cm2 (e0 = 100 a.u.)

  14. Ultra silne pola

  15. Narodowy Zakład Zapłonu (NIF, LLNL) W Europie podobne projekty: HiPER (Węgry), LMJ (Francja), inny projekt w Czechach

  16. Shorter, more intense. G Mourou, T Tajima Science 2011;331:41-42 Published by AAAS

  17. Optyka nieliniowa • Jonizacja irekombinacja • Powrót:rekombinacjalub absorpcja dodatkowych fotonów • HHG i ATI Moment jonizacji (narodziny) determinuje dynamikę elektronu

  18. Optyka nieliniowa Jonizacja ponadprogowa (ATI) Rekombinacja promienista (RR) elektronu i emisja wyższej harmonicznej (HHG) Wybicie innego elektronu (NSDI - niesekwencyjna podwójna jonizacja)

  19. Jonizacja ponadprogowa (ATI) Jonizacja ponadprogowa (ATI) Widmo fotoelektronów

  20. 3.17Up Wyższe harmoniczne (HHG) Rekombinacja promienista (RR) elektronu i emisja wyższej harmonicznej (HHG)

  21. Wyższe harmoniczne (HHG) Jak liczyć HHG na komputerze? • Symulacje kwantowomechaniczne (TDSE) • Zależna od czasu funkcja falowa • Widmo dipolowe to transformata Fouriera oczekiwanego położenia elektronu:

  22. Wyższe harmoniczne (HHG) • Już 1993 r.: 109-ta harmoniczna 7.5 nm, T = 25as, w = 6 a.u. Źródło: J.J. Macklin et al.. Phys. Rev. Lett., 70 (1993) 766

  23. Stabilny laser femtosekundowy(widmo widzialne, np. w = 0.1)w zjawisku generacji wyższych harmonik (HHG)tworzy serię impulsówlasera attosekundowego(widmo XUV/X, np. w = 1)

  24. Kontrola kształtu fali lasera Kontrola impulsów laserów femtosekundowych CEP – carrier-envelope phase, CEO – CE offset Technika f-2f(interferencja, dudnienie): Sprzężenie zwrotne z sygn. interferometru f-2f Stabilność rzędu 200 mrad na dziesiątki minut Kontrolowana jest także amplituda i częstość powtarzania

  25. Re-collision (backscattering) • Sposób produkcji impulsów attosekundowych (rekombinacja):makroskopowa ilość atomów oddziałuje ze skupionym promieniem lasera femtosekund • Potrzebna kontrola fazy (przebiegu)impulsów femtosekundowych • Różne języki • opis półklasyczny ( ) • opis kwantowy (fotony)

  26. Moc lasera attosekundowego • Problem rozmiaru próbki (makroskopowa) • Phase matching: prędkość fazowa impulsów femto- i attosekundowego są takie same. Ponadto propagacja w tym samym kierunku • Stopniowo generowany impuls kumuluje się • W pewnym zakresie moc lasera zależy proporcjonalnie od ilość atomów

  27. Attosecond puls train (APT) • Co okres rekombinacja => seria impulsów • Attosecond Pulse Train (APT) • Stabilność APT: te same parametry impulsów

  28. Attosecond puls train (APT) • Co okres rekombinacja => seria impulsów • Attosecond Pulse Train (APT) • Stabilność APT: te same parametry impulsów • Podobieństwo do laserów z synchr. modów Rüdriger Paschotta, Encyclopedia of Laser Physics and Technology (http://www.rp-photonics.com/)

  29. Attosecond puls train (APT) • Co okres rekombinacja => seria impulsów • Attosecond Pulse Train (APT) • Stabilność APT: te same parametry impulsów • Podobieństwo do laserów z synchr. modów • Problemem jest uzyskanie jednego impulsu: • Użycie częstości z pobliża odcięcia widma HHG • Późniejsze izolowanie piku (polaryzacja) • Duża szerokość widma jednego impulsu!!

  30. Charakterystyka krótkich impulsów • Google: ang. few-cycle laser pulses • Problem z szerokością widma (XUV/X-Ray) • Załamanie „lasera monochromatyczny”

  31. Kamera smugowa „klasyczna” Źródło: Ferenc Krausz, Misha Ivanov, Rev. Mod. Phys., Vol. 81, 2009

  32. Kamera smugowa „attosekundowa”

  33. Kamera smugowa • Co obserwujemy? Sam impuls attosekundowy lub pole, które jest efektem jego interakcji z gazem atomowym • Laser femtosekundowy jest na tyle słaby, że nie bierze udziału w procesach fizycznych, które są obserwowane – tylko „odbiera” elektrony i odchyla ich tor (czas => przestrz.)

  34. Pole elektryczne Mierzony sygnał Bramka czasowa Metoda ultraszybkich pomiarów • Bramkowanie (gating) np. Frequency-Resolved Optical Gating (FROG)

  35. Pole elektryczne Mierzony sygnał Bramka czasowa Metoda ultraszybkich pomiarów • Bramkowanie (gating) Complete Reconstruction of Attosecond Bursts (CRAB) Rozkład uwalniania elektronów Bramka czasowa

  36. Metoda ultraszybkich pomiarów • Interferometria widmowa Spectral Phase Interferometry for Direct Electric field Reconstruction (SPIDER) Transformata Fouriera impulsu lasera Kopia z przesuniętym odrobinę widmem i opóźnieniem Z tego fazę f(w), a(w) – niezależnie: dostaniemy a(t)

  37. Metoda ultraszybkich pomiarów Badanie korelacji impulsu attosekundowego i femtosekundowego. Oba oświetlają atomowy gaz, tak jak w kamerze smugowej, z którego impuls attosekundowy uwalnia elektrony. Impuls femtosekundowy użyty do pomiaru może być tym samym, który służył do wygenerowania impulsu attosekundowego. Reconstruction of Attosecond Beating by Interference of two-photon Transition (RABBIT) Tą metodą można poznać czasową strukturę pojedynczej sekwencji, ale nie obwiednię. Na to pozwala FROG/CRAB.

  38. Kamera smugowa • Pierwszy pomiar przebiegu impulsu lasera Goulielmakis i in. Science 317 (2004)

  39. Kamera smugowa • Pierwszy pomiar przebiegu impulsu lasera Goulielmakis i in. Science 317 (2004)

  40. Kamera smugowa • Badania procesów biologicznych („filmowanie” zmian w białkach) • Badanie procesów chemicznych(również pomiary zależne od czasu) • Badanie ruchu atomów w molekułach • Zakusy do badania procesów atomowych

  41. Przyszłe zastosowania (??) • Obrazowanie procesów atomowych (4D) • Sterowanie procesami atomowymi (ruchem elektronu w układach atomowych)- inżynieria attosekundowa • Przechowywanie informacji w atomach • Szybka inicjacja fuzji jądrowej(trzeba dostarczyć 10 kJ do rdzenia w 10 ps)

  42. Zjawisko stabilizacji jonizacjiw ultra-silnych polachlasera attosekundowego(e0 = 1-5 j.a., w = 1 j.a.)

  43. Zależne od czasu równanie Schrödingera (potencjał jawnie zależy od czasu) Zależne od czasu równanie Schrödingera (laboratoryjny układ współrzędnych) Zastępujemy zależny od czasu potencjał przez potencjał KH (zerowy element rozw. Fouriera): Ultra silne pola - stabilizacja Stabilizacja jako dynamiczna lokalizacjapakietu falowego

  44. Stabilizacja w jonizacji Jonizacja: wpływ osobliwości w 1D

  45. Stabilizacja w jonizacji Dynamika w różnych skalach czasowych: Sekwencja jonizacji i rekombinacji Wolny dryf Trwała jonizacja

  46. Stabilizacja w jonizacji Jonizacja: wpływ osobliwości w 3D W 3D: kluczowy jest kształt impulsu (niemożliwe jest jego modelowanie)

  47. Stabilizacja w jonizacji Jonizacja: wymiar i detale potencjału

  48. Stabilizacja w jonizacji Stabilizacja jako niemonotoniczność poziomu jonizacji od natężenie pola lasera Prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w pobliżu studni (100 a.u.) with dipole app. without dipole app. Ryabikin, Sergeev, Optics Express 417, 7 12 (2000)

  49. Stabilizacja w jonizacji Magnetyczny dryf – wyjście poza przybliżenie dipolowe

  50. odpowiednik stabilizacji dynamicznej po użyciu met. kompensacji wolnego dryfu „Stabilizacja” w rekombinacji

More Related