Projekt nadfioletowego lasera na swobodnych elektronach POLFEL w Świerku

Przez stulecia fotony były najważniejszym narzędziem poznawania materii począwszy od światła słonecznego do lasera.

Claudio Pellegrini i Joachim Stoehr

http://www.polfel.pl/

laser

synchrotron

laser na swobodnych elektronach

lampa ksenonowa

Świerk

Kraków

WtNN

dt

dn

t

nWNnNNW

t

nWNnWNnWN

dt

dn

c

cc

1

0

)(

12

112112

Wymuszona emisja: monochromatyczność, kierunek, spójność

Laser: rezonator ośrodek czynny pompa optyczna

ośrodek czynny

zakres λ czas trwania impulsu

energia impulsu lub

moc

częstotliwość powtarzania

CO2 10590 nm praca ciągła 20 kW praca ciągła

Ti:szafir 700 -1080 nm <50 fs 0.03 mJ 100 MHz

Nd:YAG 1063 nm 10 ns 2500 mJ 10 Hz

266 nm 10 ns 200 mJ 10 Hz

Nd:YAG+barwnik

196 nm 5 ns 0,2 mJ 10 Hz

źródło elektronów akcelerator undulator wiązka światła

Laser na swobodnych elektronach Free Electron Laser (FEL)

synchrotron

Działo elektronowe

Wnęki rezonansowe

Zasilanie w. cz.

)1(2

2

2

0

sin

)(

22

0

0

00

K

c

k

dt

cz

zkkd

constc

zzkk

c

zzkk

KeE

dt

dE

BveEeam

Fam

uL

LL

LL

z

LLu

z

LLu

z

LLu

z

Undulator

http://www.polfel.pl/

http://www.polfel.pl/

Laser na swobodnych elektronach i laser na zwiazanych elektronach

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Light Amplification by Synchronised Electron Retardation

Elektrony w stanach związanych o dyskretnym widmie energii własnych

Swobodne elektrony ciągłe widmo energii

Undulator dla Flash

Polfel

Polfel

długość fali 27 nm – 9 nm

czas impulsu < 100 fs

energia impulsu 200 μJ

moc szczytowa 0,22 GW

jasność 1030 fotonów/s·mrad2

·0.1% BW

Elementy ilość

Pompy geterowo–jonowe 300 l/ s 25 Pompy geterowo-jonowe 50l/ s 75 Pompy geterowo-jonowe 20l/ s 15 Pompy sublimacyjne (TSP) 40 Stanowiska pompowe tp 500 l/ s + dry

25

Pompy turbomolekularne 20 Zawory bramowe 25 Zawory zapowietrzające 20 Szybki zawór 5 Inne zawory 20 Przepusty próżniowe elektryczne i mechaniczne

30

Rura LN 316 CF 40 z armaturą 300 m

Przewód specjalny 10 m komory 10 sondy próżniowe 20 Automatyka próżniowa, sterowanie i interlock

Wykrywacz nieszczelności lub spektrometr masowy (analizator RGA)

3

zasilanie Instalacja ciśnieniowa do zaworów pneumatycznych

Układ do wygrzewania

Układ próżniowy akceleratora

Linia doświadczalna

Takie urządzenie uzupełni możliwości dotychczasowych źródeł światła: konwencjonalnych laserów – przez rozszerzenie zakresu widmowego o

promieniowani o krótszej długości fali (około dziesięciokrotnie krótsza fala) ;

synchrotronów – przez poprzeczna i podłużną spójność światła, kilka rzędów wielkości wyższą intensywność oraz przez około tysiąckrotnie krótszy czas trwania impulsu.

Zainteresowanie światłem lasera na swobodnych elektronach wynika z jego własności, nie występujących w innych żródłach światła, i wiąże się z możliwością przeprowadzania doświadczeń wykorzystujących:

1. wysoką czasową zdolność rozdzielczą pomiarów w trybie pompa – sonda.

2. duże chwilowe natężenie światła emitowanego przez laser dla uzyskania

dużej, rzędu 10 J / cm2, gęstości powierzchniowej energii zdeponowanej na oświetlonej powierzchni

zarejestrowanie wyniku oddziaływania o małym prawdopodobieństwie, np.dla próbek rozrzedzonych

3. krótką falę (wysoka energię fotonu) światła emitowanego przez FEL dla badani a zjawisk niedostępnych eksperymentalnie w innych zakresach widmowych.

4. krótki czas trwania impulsu, pozwalający na oddzielenie w czasie procesu wzbudzenia przez absorpcję światła od relaksacji i rozproszenia energii

S. K. Sundaram, E Mazur, Nature, Vol. 1, Dec 2002, p. 217

Czas

Obrazowanie na podstawie rozproszenia pojedynczych impulsów

Na laserze Flash dokonano udanego doświadczenia z rozpraszaniem i rekonstrukcją rysunku o wymiarach nanometrowych. Obraz odtworzono za pomocą przygotowanych algorytmów wyłącznie na podstawie obrazów dyfrakcyjnych. Doświadczenie pokazało możliwość rejestracji i interpretacji obrazu dyfrakcyjnego pochodzącego od pojedynczego impulsu świetlnego emitowanego przez FEL. Znaczenie tego wyniku polega na tym, że stanowi on wzór do powtórzenia na planowanych rentgenowskich laserach na swobodnych elektronach, co umożliwi badanie molekuł przez zastosowanie krótszej fali.

Optical constans measurements for low light intensity

Si/C ML

XUV pulse„p” or „s” polarisation

XUV detector

Testing the experiment setup: instruments and allignment

30 fs pulse reflectivity at 32nm4

50Angle of incidence (degrees)

increasingfluence3

2Re

flect

ance

(%)

1

035 40 45

100%

16%

Low-fluence

Polimers and organic crystalsPhotoeatchin efficiency for various wavelengthsManufactoring o fnanostructuresPhoto-induced modifications of the properties of surface

Non-organic crystalsPhoto-induces nanocrystallites growth at short wavelengths Photoeatching of transparent materialsA. Bartnik, et al. Detection of surface changes of materials caused by intense

irradiation with laser-plasma EUV source utilizing scattered or luminescent radiation excited with the EUV pulses, Applied Physics B 91 (2008), 21-24 A. Bartnik, et al. Strong temperature effect on X-ray photo-etching of polytetrafluoroethylene using a 10 Hz laser-plasma radiation source based on a gas puff target, Applied Physics B 82 (2006), 529-532

Laser induced periodic surface structure

0 2 4 6 8 10

050

100

150

200

250

Położenie [µm]G

łębo

kość

[nm

]

Au/Si(100)

2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 1 Studium wykonalności 10 000

2 Raport oddziaływania na Środowisko 1,5 mln

3 Źródło elektronów 16 mln zł 1.09 – 12.11

4 Kompresor zgęstka 10 mln zł 1.09 – 12.11

5 Budynek 1.09 – 12.11

6 Sekcje akceleracyjne (oraz sprzęgacz) 30 mln 6.09 – 16.12

7 Zbiorcza Dokumentacja Techniczna Urządzenia 10 mln zł 1.09 – 12.15

8 Układ próżniowy do ondulatora ale także do linii 1.10 – 6.13

9 Zasilanie zewnętrzne 8 mln zł 1.10 – 12.11

10 Układ kriogeniczny 500 W 20 mln zł 6.09 – 6.12

11 Zasilanie HF 8 mln zł 1.10 – 6.12 -

12 Diagnostyka wiązki elektronów 15 mln zł 1.10 – 12.13

13 Ondulator 30 mln zł 6.11 – 6.14

14 Układ sterowania z LLRF 25 mln zł 6.10 – 6.12

15 Kolektor wiązki 6 mln zł 1.11 – 6.12

16 Osłony radiacyjne 3,5 mln zł 1.11 – 6.12

17 Czysta próżnia 3,2 mln zł 1.12 – 12.13

18 Diagnostyka wiązki fotonów 12 mln zł 1.12 – 12.14

19 Układ pomiarowy 13 mln zł 6.10 – 12.14

20 Instalacja i uruchamianie 8 mln zł 1.14 – 6.15

21 Zaplecze techniczne 1,5 mln zł 1.13 – 6.14

22 Testowanie 20 mln zł 1.14 – 12.15

Początek prac elektrony fotony fotony w exp. w Świerku