attofizyka n.
Download
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
Attofizyka PowerPoint Presentation
Download Presentation
Attofizyka

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 52

Attofizyka - PowerPoint PPT Presentation


  • 218 Views
  • Uploaded on

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

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'Attofizyka' - colleen-murphy


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.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
attofizyka

Attofizyka

O oddziaływaniu układów atomów z krótkimi i silnymi impulsami lasera

Jacek Matulewski

e-mail: jacek@fizyka.umk.pl

10 listopada 2011

attosekunda
Attosekunda

1

-18

0

atto

zapowied
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.
attofizyka1
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
skala czasowa
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

mikro wiat
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:

ultra silne pola2
Ultra silne pola

konieczne podejście nieperturbacyjne

Symulacje numeryczne ab initio

ultra silne pola3
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…
ultra silne pola4
Ultra silne pola

Źródło: Reiss, Phys. Rev 63 013409 (2000)

ultra silne pola5
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.)
narodowy zak ad zap onu nif llnl
Narodowy Zakład Zapłonu (NIF, LLNL)

W Europie podobne projekty: HiPER (Węgry), LMJ (Francja), inny projekt w Czechach

slide16

Shorter, more intense.

G Mourou, T Tajima Science 2011;331:41-42

Published by AAAS

optyka nieliniowa
Optyka nieliniowa
  • Jonizacja irekombinacja
  • Powrót:rekombinacjalub absorpcja dodatkowych fotonów
  • HHG i ATI

Moment jonizacji (narodziny) determinuje dynamikę elektronu

optyka nieliniowa1
Optyka nieliniowa

Jonizacja ponadprogowa (ATI)

Rekombinacja promienista (RR) elektronu i emisja wyższej harmonicznej (HHG)

Wybicie innego elektronu (NSDI - niesekwencyjna podwójna jonizacja)

jonizacja ponadprogowa ati
Jonizacja ponadprogowa (ATI)

Jonizacja ponadprogowa (ATI)

Widmo fotoelektronów

wy sze harmoniczne hhg

3.17Up

Wyższe harmoniczne (HHG)

Rekombinacja promienista (RR) elektronu i emisja wyższej harmonicznej (HHG)

wy sze harmoniczne hhg1
Wyższe harmoniczne (HHG)

Jak liczyć HHG na komputerze?

  • Symulacje kwantowomechaniczne (TDSE)
  • Zależna od czasu funkcja falowa
  • Widmo dipolowe to transformata Fouriera oczekiwanego położenia elektronu:
wy sze harmoniczne hhg2
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

slide23

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)

kontrola kszta tu fali lasera
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

re collision backscattering
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)
moc lasera attosekundowego
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
attosecond puls train apt
Attosecond puls train (APT)
  • Co okres rekombinacja => seria impulsów
  • Attosecond Pulse Train (APT)
  • Stabilność APT: te same parametry impulsów
attosecond puls train apt1
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/)

attosecond puls train apt2
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!!
charakterystyka kr tkich impuls w
Charakterystyka krótkich impulsów
  • Google: ang. few-cycle laser pulses
  • Problem z szerokością widma (XUV/X-Ray)
  • Załamanie „lasera monochromatyczny”
kamera smugowa
Kamera smugowa

„klasyczna”

Źródło: Ferenc Krausz, Misha Ivanov, Rev. Mod. Phys., Vol. 81, 2009

kamera smugowa1
Kamera smugowa

„attosekundowa”

kamera smugowa2
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.)
metoda ultraszybkich pomiar w

Pole elektryczne

Mierzony sygnał

Bramka czasowa

Metoda ultraszybkich pomiarów
  • Bramkowanie (gating)

np. Frequency-Resolved Optical Gating (FROG)

metoda ultraszybkich pomiar w1

Pole elektryczne

Mierzony sygnał

Bramka czasowa

Metoda ultraszybkich pomiarów
  • Bramkowanie (gating)

Complete Reconstruction of Attosecond Bursts (CRAB)

Rozkład uwalniania elektronów

Bramka czasowa

metoda ultraszybkich pomiar w2
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)

metoda ultraszybkich pomiar w3
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.

kamera smugowa3
Kamera smugowa
  • Pierwszy pomiar przebiegu impulsu lasera

Goulielmakis i in. Science 317 (2004)

kamera smugowa4
Kamera smugowa
  • Pierwszy pomiar przebiegu impulsu lasera

Goulielmakis i in. Science 317 (2004)

kamera smugowa5
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
przysz e zastosowania
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)
slide42

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

slide43

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

stabilizacja w jonizacji
Stabilizacja w jonizacji

Jonizacja: wpływ osobliwości w 1D

stabilizacja w jonizacji1
Stabilizacja w jonizacji

Dynamika w różnych skalach czasowych:

Sekwencja jonizacji i rekombinacji

Wolny dryf

Trwała jonizacja

stabilizacja w jonizacji2
Stabilizacja w jonizacji

Jonizacja: wpływ osobliwości w 3D

W 3D: kluczowy jest kształt impulsu (niemożliwe jest jego modelowanie)

stabilizacja w jonizacji3
Stabilizacja w jonizacji

Jonizacja: wymiar i detale potencjału

slide48

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)

slide49

Stabilizacja w jonizacji

Magnetyczny dryf – wyjście poza przybliżenie dipolowe

slide50

odpowiednik stabilizacji dynamicznej

po użyciu met. kompensacji wolnego dryfu

„Stabilizacja” w rekombinacji

symulacje numeryczne cuda
Symulacje numeryczne - CUDA

Implementacja z użyciem CUDA przygotowana przez Tomasza Dziubaka

do zapami tania
Do zapamiętania:
  • Fizyka attosekundowa (lightwave electronics) to kontrola i pomiary procesów attosekundowych, zarówno strumienia elektronów, jak i fotonów (światła)
  • Potrzebna technologia femtosekundowa(kontrola amplitudy i fazy impulsów fs)
  • Kamera smugowa i attosekundowy FROG
  • Inny schemat: spektroskopia attosekundowa (rentgenowskie pump/probe)
  • Przyszła technologia „sterowania” elektronami