Možnosti spolupráce na vědeckém programu Laserové systémy ELI

Praha, FZU, 24 November 2011
Projekt:
Výzkum a vývoj femtosekundových laserových systému a pokročilých optických technologií
(CZ.1.07/2.3.00/20.0091)
Možnosti spolupráce na vědeckém programu
Laserové systémy ELI-Beamlines
Pavel Bakule
for ELI beamlines
Hlavní cíle laserového centra
Hlavním cílem ELI-BL generace fs pulsů o špičkovém výkonu až
10PW a jejich využití ke generaci sekundárních zdrojů záření:
• Generace pulsů
monochromatického a
širokopásmového
rentgenovského záření s
energií fotonů až MeV
• Urychlování elektronů 2 GeV
při 10 Hz, 100 GeV nízká
opak. Freq.
• Urychlování protonů 200-400
MeV 10 Hz; 3 GeV nízká
opak. F.
Světelný puls
5 femtosekund = 5x10-15 s
Rentgenové záření
UV záření
Gama záření
Elektrony
Protony
Nabité částice
Délka pulsu v prostoru = 1.5 µm
Pozn.: lidský vlas = cca 100 µm
Unikátnost celého centra spočívá v tom, že bude k dispozici nejenom
široké spektrum různých zdrojů záření a urychlených částic, ale že je
možné je krátké pulsy vzájemně synchronizovat (na ca.100fs)
ELI laser systems
Thin disk
Yb:YAG
femtosecond
Cryogenic
Oscillator
Ti:sapphire
multislab
Yb:YAG
Amp
OPCPA
Cryogenic
multislab
Yb:YAG
Nd:YAG
Ti:sapph
Ti:sapph
RT Multislab
Nd:Glass
Ti:sapphire
Laser building layout
First floor
10 PW laser L4
Support technologies, cryogenic systems,
cooling systems
Ground floor
Laser halls (L1 – L4)
Basement
Compressor hall for 10-PW lasers
Pulse distribution in vacuum
6 specialized
Experimental halls
Oblasti vývoje a integrace
Vývoj FZÚ
firmy
L1
systems
1 kHz BL na bázi tenkých disků, včetně front end,
synchronizace, předzesilovačů, OPCPA, stabilizace
L2
systems
10 Hz BL na bázi Yb:YAG multislabů, vývoj nových
technologií čerpacích laserů až 100J v pulsu, Ti:safír,
OPCPA zesilovače, kryogenní chladící okruhy
L3
systems
10 Hz BL na bázi Nd:glass multislabů (diodové čerpání),
vývoj nových technologií čerpacích laserů až 300J v pulsu,
Ti:safír, kompletní systém 1.5 PW na klíč
L4
systems
10 PW BL na bázi Nd:glass multislabů (výbokové čerpání),
čerpací laser 1500 J na klíč
(integrace FZU)
Control
systems
Centrální a lokální řídící systémy na bázi EPICS, NI
labview, PXI … + bezpečnostní interlocky (bezpečnost
osob, bezpečnost zařízení)
Vývoj/integr
ace FZU)
Firmy
Pulse
distribution
Systém distribuce fs pulsů ve vakuu, včetně zobrazovacích
teleskopů, velké re-konfigurovatelné optomechaniky,
řídícího systému, Pavel Korouš
Vývoj/integr
ace FZU)
Firmy
Experiment
ální haly
E1-E6
Generace sekundárních zdrojů záření a urychlování částic
Interakční komory, betatron, urychlování elektronů …..
Georg Korn
Vývoj/integr
ace FZU)
Firmy
integrace FZÚ
firmy
Firmy
(integrace FZU)
Firmy
L2 systems
Nové technologie – multideskové
kryogenně chlazené zesilovače
Parametry zesilovače
• 2 zesilovače v každém z nich 8 disků
(Yb:YAG)
• kryogenické chlazení160 K
• Yb:YAG/(glass) čerpaná oblast E1
• Cr:YAG 30 mm absorpční oblast E2
(k potlačení ASE)
Technologie vyvíjená v Anglii
RAL/STFC umožnující generaci až
100 J v pulzu při vysoké
opakovací frekvenci 10Hz (délka
pulzu 2ns)
Spolupráce s HILASE
Courtesy K. Ertel and J. Collier (RAL/STFC)
L2 systems
Nové technologie – multideskové
kryogenně chlazené zesilovače
L2: čerpací laser
Podobná technologie byla demonstrována i v LLNL: 60 J/10 Hz Mercury laser
Transfer
lines
Helium
cooling
circuit
Amplifier
head
Cryostat
Study of layout of a Yb:YAG 100 J system for ELI-Beamlines and HiLASE
According to RAL/STFC (courtesy of K. Ertel and J. Collier)
L4 systems
Nové technologie – kombinace Nd:skel
Aktivní medium – kombinace Nd:skel : vysoká energie a šířka pásma odpovídající <130 fs *
Texas Petawatt laser:
185 J / 130 fs – scalable -> 1900 J /130 fs
• Ideální délka pulzu a energie na urychlování elektronů
• Laser lze později použít jako čerpací laser na čerpání OPCPA širokopásmového zesilovače
* ELI - Extreme Light Infrastructure White Book: Science and Technology with Ultra-Intense Lasers
edited by G. Mourou, G. Korn, W. Sandner and J. Collier (2011)
L4 systems
Čerpací laser k dosažení 10PW
Navrhovaná architektura
Vizualizace
Integrace do L4
L4 systems
Kompresor 1.5 kJ pulzů / 150 fs
L2 systems
-
L2-L4 možnosti spolupráce
Vývoj systémů pro diagnostiku pulzu
Stabilizace optické dráhy
Specializovaná optomechanika
Integrace lokálnich řídících systémů do systému EPICS
Řešení vzájemné synchronizace laserových systémů
Výroba a návrh kompresorů pulsu
Kryogenní technologie
Vakuové technologie
L1 systems
L1– Technologie tenkých disků
Umožňuje kHz opakovací frekvence a vysoké energie v pulsu
Čerpací lasery L1 musí dosáhnout
energie až 1.5 J/puls při 1kHz a 2
ps délce pulsu
Parmetry disku
tlouštka: 100 - 900 µm
průměr: 10 - 35 mm
Thomas Metzger, MPQ
L1 systems
L1 beamline – vývoj na FZU
Fáze 1 >30 mJ/<30 fs/1kHz
Fáze 2 >200 mJ/<20 fs/1kHz
L1 systems
L1: Thin disk :Pump laser 1030 nm
Regenerative amplifier
Multipass amplifier
Čerpací hlava
s tenkým
diskem
PC
VÝSTUP
VSTUP
Regenerativní zesilovač
M² < 1.1
Metzger et al. Opt. Lett. 34, 2123 (2009)
@ 25 mJ; 3 kHz
L1 systems
Kompresor pulsu 1.5J na 1.5 ps
+L1 pikosekundové OPCPA
Schematic design completed in Dec 2011
Detailed design to be produced in 2012
L1 front end
Front end laser systems
& synchronization
Unique strength of the ELI beamlines project is that we will have different laser
amplifier chains (beamlines) in the same building and this allows for time
synchronization of the laser beams delivered to experimental halls.
This scheme allows setting any delay with fs accuracy
L1 front end
Synchronizing multiple oscillators
fs synchronization can
be only done optically
using optical cross
correlation technique.
Integrated timing jitter 0.4 fs rms
JUNGWON KIM, JONATHAN A. COX, JIAN CHEN AND FRANZ X. KAERTNER
nature photonics | VOL 2 |DECEMBER 2008
Distribuce optických hodin
Stabilizované
optické vlákno.
Existují i komerční
řešení
JUNGWON KIM, JONATHAN A. COX, JIAN CHEN AND FRANZ X. KAERTNER
nature photonics | VOL 2 |DECEMBER 2008
L1 systems
L1 možnosti spolupráce
Front end:
• Části HW a SW pro centrální timing systém
• Rychlé HV spínací obvody pro elektrooptické krystaly
• Vývoj řídícího systému, ochrana před poškozením
• Vývoj zařízení pro diagnostiku pulsu pro vysoké prf
• Metody zvýšení kontrastu pulsů
• Metody stabilizace optické dráhy
• optická synchronizace
L1 (1kHz)
• SHG na 1.5 kW
• Stabilizace čerpacího a širokopásmového pulsu na 100fs
• Vývoj a modelování OPCPA zesilovačů, diagnostika pulsů ve
vakuu…
Control
systems
Řídící systémy
EPICS
Soubor autonomních lokálních
systémů integrovaných pomocí
EPICS
Control
systems
Laser control systems
Control
systems
Možnosti spolupráce
- Integrace lokálnich řídících systémů do systému EPICS
- Řešení komponent laserového interlocku
- Mechatronika – standardizovaný systém řízení a
nastavování optomechanických prvků ve vakuu a integrace
do EPICS příp. Labview
- Návrh a realizace systému rychlého sběru dat z diagnostiky
pulsu a experimentů, online a offline analýza dat,
kompatibilita s EPICS …
- Zákaznická elektronika, vývoj SW
Pulse
distribution
Přenos fs pulsů do experimentů
Spolupráce na vývoji
- prototypování velkých
vakuových systémů
- Vývoj zakázkové
optomechaniky
- Řídící systém (vakuum,
nastavení dráhy
svazku, bezpečnost)
- Instalacce a integrace
do budovy
Nyní
prototypován
Vakuový reflexní teleskop
Level I Technical design
Formy spolupráce
• Zaměstnání studentů a zaměstnanců se žádanými znalostmi na
častečný úvazek, společné řešení, společné publikace
• Zapůjčení přístrojů, optiky, majetku zakoupeného z projektu ELI k
řešení zadání pro potřeby projektu
• Financování zakázkového výzkumu a vývoje a konkrétních řešení nad
200 tis. Kč je možné pouze na základě výběrového řízení. Tyto jsou
průběžně zveřejňována na stránkách FZU a ELI-beams.eu. Dle
složitosti a velikosti zakázky je doba od přípravy VŘ do podpisu
smlouvy 2 měsíce až 1 rok
ELI Beamlines team & collaborators
B. Rus, P. Bakule, F. Batysta, P. Bumba, J. Clements, A. Ferrari1, J. Čáp2, P. Contos, V. Chocenský, M.
Divoký, M. Fibrich, M. Griffiths, R. Haley3, T. Havlicek, J. Hrebicek, P. Homer, J. Hopp, J. Houzvicka, P.
Hribek, R. Hvezda, J. Jandourek, L. Juha, M. Kokta, G. Korn, P. Korouš, M. Košelja, M. Kozlová, D.
Kramer,M. Krus, J.C. Lagron4, J. Limpouch5, K. Macuchová, M. Mead, L. McFarlane3, M. Malý, D.
Margarone, P. Matlas, T. Metzger5, F. Millet, L. Mindl, J. Moravec 7, T. Mocek, J. Nejdl, J. Novák, V.
Olšovcová,M. Paletka 8, L. Peksa, J.P. Perin 9, J. Polan, J. Prokupek, J. Ridky, K. Rohlena, V. Ruzicka, M.
Sawicka, L. Scholzová, S. Sebban 10, D. Snopek2, P. Strkula, L. Švéda2
Institute of Physics v.v.i., Prague 8
1
FZD Dresden-Rossendorf, Germany
2ELYA Solutions s.r.o., Prague 10
3Nuclear Technologies plc, U.K.
4Univ. Paris-Sud, France
5Czech Technical University, Prague
6MPQ Garching, Germany
7Foton s.r.o., Czech Rep.
8 UPOL Olomouc, Czech Rep.
9 SBT-CEA Grenoble, France
10 LOA-ENSTA, Palaiseau, France