Generation and applications of terahert pulses with extreme high field  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
101846
Type K
Principal investigator Hebling, János
Title in Hungarian Extrém nagy térerősségű terahertzes impulzusok előállítása és alkalmazása
Title in English Generation and applications of terahert pulses with extreme high field
Keywords in Hungarian terahertzes impulzusok, extrém nagy elektromos tér, szabadelektron lézer
Keywords in English terahertz pulses, extreme high field, free electron laser
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)90 %
Ortelius classification: Experimental physics
Solid-state Physics (Council of Physical Sciences)10 %
Ortelius classification: Solid state physics
Panel Physics 1
Department or equivalent Institute of Physics (University of Pécs)
Participants Almási, Gábor
Fülöp, József András
Mechler, Mátyás Illés
Ollmann, Zoltán
Pálfalvi, László
Schulteisz, Ádám
Sharma, Ashutosh
Tóth, György
Starting date 2012-01-01
Closing date 2014-12-31
Funding (in million HUF) 28.098
FTE (full time equivalent) 8.90
state closed project
Summary in Hungarian
Az alig több mint két évtizedre visszatekintő, de gyorsan fejlődő terahertzes tudomány lehetőségeit döntő mértékben meghatározzák a THz-es sugárforrások. Mi 2002-ben kapcsolódtunk be a THZ-es kutatásokba azzal, hogy közel egyciklusú THz-es impulzusok hatékony előállítására javasoltuk a döntött impulzusfrontú gerjesztés alkalmazását. Az ezzel a technikával előállított THz-es impulzusok energiája nagyobb, mint bármely más, nem gyorsítón alapuló technikáké, és az elmúl néhány év alatt öt nagyságrendet nőtt, lehetővé téve a pumpa – próba módszer alkalmazását a THz-es tartományon is. E fejlesztésekben meghatározó szerepünk volt, de a kísérleti munka döntő részét külföldön végeztük. A K 76101 sz. OTKA pályázat segítségével elkezdtük megvalósítani a PTE Fizikai Intézetében az első magyarországi THz-es laboratóriumot.

Jelen pályázatban egyrészt szeretnénk folytatni a 76101 pályázatban megkezdett munkát, elsősorban dielektrikumok THz-es pumpa –próba módszerrel történő vizsgálatát.
A 76101 pályázatunk megvalósításának egyik fontos eredménye, hogy modellszámításaink szerint az eddig előállítottnál több mint két nagyságrenddel nagyobb (100 MV/cm) csúcs elektromos térerősséggel rendelkező THz-es impulzusokat is elő lehet állítani megfelelő kísérleti körülmények esetén. Szeretnénk ezt a lehetőséget alaposabban megvizsgálni és megvalósítani.

Modellszámításaink szerint a 100 MV/cm térerősség lehetővé teszi akár relativisztikus elektroncsomagok manipulálását is. Modellszámításokkal és kísérletekkel is vizsgálni szeretnénk ezt a lehetőséget, továbbá azt, hogyan lehet az így manipulált elektroncsomagokat felhasználni egy, vagy néhány ciklusú fényimpulzusok előállítására látható UV és VUV tartományon.
Summary
THz sources decisively determine the possibilities of the less than two-decade-old but rapidly developing terahertz science. Our group joined the THz researches in 2002 by proposing the application of tilted-pulse-front excitation for the efficient generation of nearly single-cycle THz pulses. THz pulses generated with this technique have larger energy than any other, non-accelerator-based technique and it has grown five orders of magnitude, thus the application of pump-probe technique in the THz range became possible. Our group had important contributions to these developments but most of the experimental work has been done abroad. With the aid of the OTKA project “K 76101” we began to establish the first THz lab in Hungary at Institute of Physics, University of Pécs.

In the present proposal we would like to continue the above-mentioned work aided by the OTKA project “K 76101”, primarily the THz pump-probe investigation of dielectric materials.

One of the main results of the project “K 76101” is that according to our model calculations it is possible to produce – with appropriate experimental conditions – THz pulses with electric field that is two orders of magnitude larger (100 MV/cm) than those produced up to the present. We would like to examine this possibility.

According to our model calculations the 100 MV/cm field makes it possible to manipulate relativistic electron bunches. We intend to examine this possibility by model calculations as well as experiments; we also want to examine the applicability of the manipulated electron bunches in the generation of single- or few-cycle light pulses in the UV and VUV region.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A nagyenergiájú terahertzes (THz-es) impulzusforrások fejlesztésével kapcsolatos korábbi elméleti eredményeinkre alapozva egy nagyságrenddel megnöveltük a lézereken alapuló THz-es impulzusforrások energiáját, amely így már megközelíti a 0.5 mJ értéket. Az általunk korábban javasolt – további THz energia, és THz előállítási hatásfok növekedést lehetővé tévő – ún. kontaktrácsos elrendezéseket terveztünk. A tervezést LiNbO3 és ZnTe nemlineáris optikai kristályokból álló kontaktrácsos elrendezésre is elvégeztük. Megrendeltük a terveink alapján elkészítendő kontaktrácsokat. Az eddigi eredmények szerint a LiNbO3 kontaktrácsok elkészítése a jelen technológiával kétséges, ZnTe kontaktrácsok viszont jó minőségben elkészíthetőek. Megmutattuk, hogy az általunk előállított THz-es impulzusok elegendően nagy térerősséget biztosítanak ahhoz, hogy például a (THz-es impulzusokkal kiváltott) nemlineáris fotoemissziót ne csak a sokfotonos (perturbatív) tartományban, de az ún. erős tér tartományban is vizsgálni tudjuk. THz-es impulzusokkal meghajtott elektron és proton gyorsítókat javasoltunk és modelleztük ezek működését. Az általunk javasolt protongyorsító továbbfejlesztése olyan kompakt és olcsó protonforrást eredményezhet, amely hadronterápiában (ionsugárzás alapú rákgyógyításban) is felhasználható. Olyan elrendezést javasoltunk és modelleztünk, amely – egyedüliként – képes stabil és kontrolálható vivő-burkoló-fázisú attoszekundumos impulzusok előállítására az EUV – UV tartományon.
Results in English
Based on our previous theoretical results on the development of high-energy terahertz (THz) pulse sources, we increased by one order of magnitude the energy of THz pulses generated by laser-driven sources. The achieved THz pulse energy approaches 0.5 mJ. We performed the detailed design of THz sources based on the contact-grating technology, which we proposed previously. Thereby, LiNbO3 and ZnTe nonlinear optical materials were considered. The designed grating structures were ordered. According to our results so far, while the manufacturing of contact gratings on LiNbO3 with the present technology is questionable, ZnTe gratings can be provided in good quality. We showed that the field strength of our THz pulses is sufficiently high for example to study THz-driven nonlinear photoemission not only in the multi-photon (perturbative) regime, but also in the high-field regime. We proposed and simulated THz-driven electron and proton accelerators. The proposed proton accelerator can lead to the development of compact and low-cost proton sources suitable for hadron therapy of cancer. We proposed and numerically modelled a unique scheme capable to generate attosecond pulses with stable and controlled carrier-envelope phase in the EUV-UV spectral range.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=101846
Decision
Yes





 

List of publications

  
Z. Tibai, Gy. Tóth, J. A. Fülöp, J. Hebling: Single-cycle pulse generation by Thomson-scattering in the MIR to EUV spectral ranges, SPIE 2013 Optics + Optoelectronics, Prague, 15-18 April 2013, Technical Summaries, 8779-71, Invited talk, 2013
J. A. Fülöp, Z. Ollmann, Cs. Lombosi, C. Skrobol, S. Klingebiel, L. Pálfalvi, F. Krausz, S. Karsch, and J. Hebling: Efficient generation of THz pulses with 0.4 mJ energy, Optics Express 22, 20155-20163 (2014), 2014
G. Almási, Z. Tibai, L. Pálfalvi, J. A. Fülöp, J. Hebling: Generation and application of mJ-level ultrashort terahertz pulses, ALT 2014, Advanced Laser Technologies International conference, 6-10 October 2014, Cassis, France. Boob of Abstracts P122, Meghívott előadás, 2014
W. Schneider, A. Ryabov, Cs. Lombosi, T. Metzger, Zs. Major, J. A. Fülöp, P. Baum: 800-fs, 330 microJ pulses from a 100-W regenerative Yb:YAG thin-disk amplifier at 300 kHz and THz generation in LiNbO3, Optics Letters 39, 6604-6607 (2014), 2014
Almási Gábor, Fülöp József, Hebling János, Pálfalvi László: Optikai egyenirányításon alapuló gerjesztésű THz-es sugárforrás, Szellemi Tulajdon Nemzeti Hivatala, magadott szabadalom, lajstromszám: 229 943, 2014
Z. Ollmann, J. Hebling, G. Almási: Design of a contact grating setup for mJ-energy THz pulse generation by optical rectification, Applied Physics B, 108, 821-826, 2012
G. Almási, J.A. Fülöp, M.I. Mechler, Z. Ollmann, L. Pálfalvi, Z. Tibai, G. Tóth, J. Hebling: Generation and application possibilities of terahertz pulses with extremely high field strength, POEM2012, The 6thInternational Symposium on Ultrafast Phenomena and THz Waves (ISUPTW2012), 1- 2 November 2012, Wuhan, China, SF3A.3, invited talk, 2012
J.A. Fülöp, Z. Ollmann, L. Pálfalvi, G. Almási, J. Hebling: Prospects of THz pulse generation with mJ-level energy and 100 MV/cm, Workshop on Terahertz Sources for Time Resolved Studies of Matter, 30-31 July 2012, Argonne National Laboratory, Argonne, IL, USA, talk, 2012
Hebling J, Almási G, Fülöp JA, Mechler MI, Pálfalvi L, Ollmann Z, Tibai Z, Tóth Gy: THz makes X-ray, Workshop on Terahertz Sources for Time Resolved Studies of Matter, 30-31 July 2012, Argonne National Laboratory, Argonne, IL, USA, talk, 2012
J.A. Fülöp, Z. Ollmann, L. Pálfalvi, G. Almási, J. Hebling: Prospects of Increasing the THz Pulse Energy in Optical Rectification from the Sub-mJ to the mJ Level, 3rd EOS Topical Meeting on Terahertz Science & Technology (TST 2012), 17-20 June 2012, Prague, Czech Republic, talk 5342, 2012
Z. Ollmann, J.A. Fülöp, G. Almási, J. Hebling: ZnTe-based contact grating setup for high-energy THz pulse generation, 3rd EOS Topical Meeting on Terahertz Science & Technology (TST 2012), 17-20 June 2012, Prague, Czech Republic, poster TST2012_5402_048, 2012
Almási Gábor, Fülöp József András, Hebling János, Mechler Mátyás, Pálfalvi László: Összeállítás és eljárás elektromosan töltött részecskék manipulálására, Szellemi Tulajdon Nemzeti Hivatala, P1200273 szabadalmi bejelentés, 2012
Vicario C, Monoszlai B, Lombosi Cs, Mareczko A, Courjaud A, Fülöp JA, and Hauri CP: Pump pulse width and temperature effects in lithium niobate for efficient THz generation, Optics Letters 38, 5373-5376, 2013
Tibai Z, Tóth Gy, Mechler MI, Fülöp JA, Hebling J: Proposal for carrier-envelope-phase stable single-cycle pulse generation in the mid-infrared - extreme-ultraviolet range, arXiv:1304/6495v1, 2013
Ollmann Z, Fülöp JA, Hebling J, and Almási G: Design of a high-energy terahertz pulse source based on ZnTe contact grating, Optics Communications 315, 159-163 (2014), 2014
Pálfalvi L, Fülöp JA, Tóth Gy, Hebling J: Evanescent-wave proton post-accelerator driven by intense THz pulses, Physical Rewiev Special Topics - Accelerators and Beams (közlésre elfogadva), 2014
Hebling J, Almási G, Tibai Z, Tóth Gy, Mechler M: Berendezés és eljárás egyciklusú elektromágneses impulzusok előállítására, Szellemi Tulajdon Nemzeti Hivatala, P1300137 szabadalmi bejelentés, 2013
Fülöp JA, Pálfalvi L, Ollmann Z, Almási G, Hebling J: Enabling technology for high-field THz science, International Workshop on Optical terahertz Science and technology (OTST) 1-5 April, Kyoto, Japan, F1A-3, meghívott előadás, 2013
Tibai Z, Tóth Gy, Mechler MI, Fülöp JA, Almási G, Hebling J: Proposal for sub-femtosecond pulse generation with controlled carrier-envelope phase, Conference on Lasers and Electro-optics 2013, München, CG-P.21, 2013
Sharma A, Tibai Z, Hebling J, Mishra SK: Spatiotemporal focusing dynamics in plasmas at X-ray wavelength, Physics of Plasmas (közlésre elfogadva), 2014
Tibai Z, Tóth Gy, Mechler MI, Fülöp JA, Almási G: Proposal for carrier-envelope-phase stable single-cycle pulse generation in the mid-infrared - extreme-ultraviolet range, arXiv.org, arXiv:1304.6495, 2013
Pálfalvi L, Fülöp JA, Tóth Gy, Hebling J: Evanescent-wave proton post-accelerator driven by intense THz pulses, Physical Rewiev Special Topics - Accelerators and Beams 17, 031301 (2014), 2014
Sharma A, Tibai Z, Hebling J, Mishra SK: Spatiotemporal focusing dynamics in plasmas at X-ray wavelength, Physics of Plasmas 21, 033103 (2014), 2014
Z. Tibai, Gy. Tóth, M. I. Mechler, J. A. Fülöp, G. Almási, and J. Hebling: Proposal for carrier-envelope-phase stable single-cycle attosecond pulse generation in the extreme-ultraviolet range, Physical Review Letters 113, 104801 (2014), 2014




 

Events of the project

  
2013-09-13 13:16:01
Résztvevők változása



Back »