 |
High brightness, high contrast KrF excimer sources and their applications for plasma- and surface physics investigations
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
113222 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Szatmári, Sándor |
| Title in Hungarian |
Nagy specifikus intenzitású és kontrasztú KrF excimer fényforrások, és alkalmazásai plazma- és felületfizikai vizsgálatokban |
| Title in English |
High brightness, high contrast KrF excimer sources and their applications for plasma- and surface physics investigations |
| Keywords in Hungarian |
nagy specifikus intenzitás, nagy kontraszt, KrF excimer lézer, plazma gyorsítás, röntgen spektroszkópia, felületi morfológia |
| Keywords in English |
high brigness, high contrast, KrF excimer laser, plasma acceleration, x-ray spectroscopy, surface morphology |
| Discipline |
| Physics (Council of Physical Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Experimental physics |
|
| Panel |
Physics 1 |
| Department or equivalent |
Department of Experimental Physics (University of Szeged) |
| Participants |
Barna, Angéla
Bohus, János
Dajka, Rita
Földes, István
Füle, Miklós Jenő
Gilicze, Barnabás
Kovács, Zsolt
Nánai, László
Szabó, Péter
|
| Starting date |
2015-01-01 |
| Closing date |
2019-12-31 |
| Funding (in million HUF) |
25.000 |
| FTE (full time equivalent) |
10.70 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A pályázat keretében megvalósítandó cél a praktikus alkalmazások szempontjainak előnyös, kisüléssel gerjesztett erősítőkön alapuló, néhányszor 100 mJ-os femtoszekundumos KrF lézerrendszer megvalósításához szükséges fizikai problémák azonosítása és megoldása.
Ezen cél érdekében egy >100 mJ-os kimenő energiájú KrF erősítő modult relizálunk. A „back-to-back” koncepció alkalmazásával (azaz a két erősítő geometriai összeillesztésével) a kimenő energia 2-szeres, az interferometrikus multiplexeléssel további, ~1,7-szeres növekedése várható.
Nagy intenzitású lézerek alkalmazásánál az intenzitás kontraszt döntő fontosságú. Ennek javítása érdekében egy – általunk nemrégiben kidolgozott – nemlineáris idő- és térszűrési eljárás elméleti és kísérleti vizsgálatát, a hozzátartozó kísérleti paraméterek optimalizálását és a lézerrendszerbe történő integrálását tűzzük ki célul.
A fenti módszerekkel előálló nagy intenzitású és kontrasztú lézernyalábbal egyfelől az izochor fűtés röntgen-spektroszkópiai vizsgálatát tervezzük, másfelől plazma blokk gyorsítást vizsgálunk Doppler-mérésekkel, amelyekkel rekord nagyságú (>10^19g) gyorsulások várhatók.
A jelenlegi lézerrendszer impulzusidejének 150fs-ra történő csökkentésével a különböző anyagi minőségű felületeken lejátszódó önszerveződési folyamatok dinamikája tanulmányozható. Roncsolási küszöb alatti lézertér által kialakított felületi morfológiát felületvizsgálati és pumpa-próba módszerekkel kívánjuk felderíteni.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A rövid impulzusú UV KrF excimer lézerrendszereknek több olyan specifikus tulajdonsága van, amely a – jelenleg elterjedt infravörös szilárdtest lézerekkel szemben – más erősítési elrendezéseket, sémákat igényel.
A KrF erősítők telítési energiasűrűsége igen kicsiny, mJ/cm2 nagyságrendű, ami ugyanazon energiák eléréséhez lényegesen nagyobb erősítő keresztmetszeteket igényel, ugyanakkor megengedi az impulzusok közvetlen (direkt) erősítését.
A nagy keresztmetszetű kisüléssel gerjesztett erősítő modulok létrehozása számos fizikai, technikai problémát vet fel.
A direkt erősítés az időbeli kontraszt relative magas szinten tartását teszi lehetővé. Ugyanakkor a csúcsintenzitás tervezett további növekedésével egyre nagyobb, (10^10-10^12 feletti) kontrasztra van szükség, ami szükségessé teszi a KrF erősítőkben jól alkalmazható időszűrési eljárások vizsgálatát.
Az excimerek ns-os energiatárolási idejére való tekintettel a teljes tárolt energia kinyerésére, – a gerjesztés idejének a minimalizálásán túl – az optikai multiplexelés nyújt lehetőséget, melyet ugyanakkor csak interferometrikus nyalábegyesítés mellett célszerű alkalmazni.
Az elméleti számításokra alapozva femtoszekundumos UV lézerekkel keltett forró elektronok transzportján alapuló fűtési mechanizmus jól tanulmányozható. Különösen perspektivikus a plazmában a nemlineáris kölcsönhatások okozta nagyobb blokkok, igen rövid idő alatt, nagy sebességre történő gyorsítása.
A lézerimpulzus időbeli hosszának változtatásával a különböző karakterisztikus folyamatok időtartományában a felületet roncsolási küszöb alatti energiasűrűséggel gerjesztve a kialakuló morfológia és pumpa-próba mérések eredményeinek összevetését tervezzük.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Az ultraibolya excimer gázlézerek jó kiegészítői az infravörös szilárdtest lézereknek. Ultraibolya KrF lézerekkel igen magas fókuszált intenzitások (I>10^19 W/cm^2) érhetők el mérsékelt kimenő teljesítmények mellett.
A nemlinearitások I[lambda]^2 szerinti skálázásának következtében, a KrF lézerek további előnye, hogy a lézerenergia nem vész el nemlineáris kölcsönhatásokon keresztül, illetve nem fordítódik gyors részecskék energiájává, hanem hatékonyan konvertálódik rövid hullámhosszúságú (röntgen) sugárzássá.
Igen perspektivikus a – TW-os KrF lézeres pumpálást kívánó – intenzív, koherens sugárzás keltése 0.27 nm-en, amely a jelen pályázatban kitűzött célok elérése esetén laboratóriumunkban is megvalósíthatóvá válik. Egy ilyen intenzív röntgen forrás kiválóan alkalmas a röntgen holográfia céljaira, amely forradalmasítani tudná a strukturális biológiát.
A rövid hullámhosszból adódó jó térbeli feloldás, erős abszorpció, továbbá a rövid impulzusidőnek tulajdonítható termális effektusok hiánya egyedülálló lehetőséget nyújt az anyagmegmunkálás, felületmódosítás területén.
Nagyintenzitású lézerekkel lehetőség nyílik a magas hőmérsékletű anyag és a lökéshullámok vizsgálatára, lehetővé téve ezzel a csillagok fizikájának laboratóriumi körülmények között történő tanulmányozását.
A KrF lézerimpulzusok „tisztasága” nagy jelentőséggel bír minden nagy intenzitású lézerimpulzussal végrehajtott kísérletben.
A meleg, sűrű anyag spektroszkópiája igen nagy jelentőségű a gyors begyújtást és lökéshullám-begyújtást használó lézeres termonukleáris fúzióban. A makroszkópikus részek gyorsítása fúziós alkalmazásokban igen jelentős, valamint az elérhető nagy gyorsulás asztrofizikai jelenségek modellezésére is alkalmas.
A projekt sikere esetén a KrF excimer lézerek kutatásában és technológiájában Szegeden felhalmozott egyedülálló tapasztalat lehetővé teszi egy TW-os teljesítmény szintű, rövid impulzusú KrF lézerrendszer megépítését, amely a HILL laboratóriumot (és a magyar kutatásokat) a lézer és plazmafizikai kutatások élvonalába emelné és lényegesen javítaná az esélyeinket nagy európai projektekben való részvételre.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A természettudományok alapvető célkitűzése minél nagyobb tér és időbeli felbontással követni az anyagban zajló folyamatokat és ugyanilyen felbontással beleavatkozni az anyag struktúrájába. Erre kiváló lehetőséget nyújtanak a rövid impulzusú és rövid hullámhosszúságú, nagy specifikus intenzitású elektromágneses sugárzások.
Jelen pályázat teljesítéséhez köthető, legfontosabb eredmény egy egyedi paraméterekkel bíró, multiterawattos KrF lézerrendszer létrehozása. Egy ilyen rendszer alkalmas számos küszöbszerűen működő Röntgen forrás beindítására is.
Fentiekre való tekintettel, a pályázat sikere több, anyagtudományi, biológiai illetve orvostudományi kutatás fellendüléséhez vezethet, amely más kutatócsoportokkal való együttműködések kialakulásában illetve erősödésében realizálódhat.
KrF lézerekkel nagy tér- és időbeli kontraszttal rendelkező (zajmentes) impulzusok állíthatók elő, melyek igen alkalmasak plazmafizikai folyamatok (a keltett plazma tulajdonságainak) tanulmányozására.
A nagy intenzitáshoz kötődő nemlineáris erő a plazmát makroszkopikusan gyorsítja, amely rekord gyorsulások előállítását illetve detektálását teszi lehetővé.
A lézerfény anyaggal való kölcsönhatása során kialakuló, mikroszkopikus felületi szerkezetek megismerése a mikrovilágban eddig véletlenszerűnek gondolt felületi érdesség, csíkozódás célzott befolyásolását, tervezését teszi lehetővé, mellyel a miniatürizálási feladatok megoldásához kívánunk hozzájárulni.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The main goal of this project is identification and solution of the physical problems associated with the realization of a several-times-100 mJ-class, femtosecond KrF laser system, based on a discharge-pumped amplifiers.
To achieve this goal a KrF amplifier modul of >100 mJ output energy is to be realized. With the use of the ”back-to-back” concept (where two discharge loops are geometrically unified) and of the interferometric multiplexing scheme the energy of a single amplifier can be doubled and further increased by a factor of ~1.7, respectively.
In most of the applications of high-intensity lasers the intensity contrast is of pronounced importance. In order to improve the contrast theoretical and experimental investigation of the recently introduced nonlinear temporal- and spatial filtering scheme, moreover its integration into the laser system are planned.
With these intense pulses of high temporal contrast the x-ray spectroscopy of isochoric heating and Doppler-study of plasma block acceleration are planned. Accelerations in excess of >10^19g are expected.
By decreasing the pulse duration of the present laser system down to 150fs the dynamics of self-assembly processes taking place on different surfaces can be studied. The surface morphology created by laser fields under damage threshold is to be identified by pump-probe measurements.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
There are several specific features of short-pulse, UV KrF excimer laser systems, which – in contrast to infrared solid-state lasers – require different amplification methods and schemes.
The saturation energy density of KrF is quite small (mJ/cm^2), which necessitates amplifiers of larger cross-section for the same output energies, on the other hand it allows direct amplification of short pulses.
The realization of discharged-pumped excimer gain modules of large cross-section raises several physical and technical problems.
The direct amplification in KrF allows to reach relatively high temporal contrast. On the other hand, with the planned increase of the focussed intensity the necessary value of the contrast increases beyond 10^10-10^12. This necessitates the study of further temporal cleaning methods easily applicable in KrF amplifier chains.
With regard to the short (ns) energy storage time of excimers, access to the full optically stored energy – beyond the minimization of the pumping time – is only possible with optical multiplexing. This, however, makes only sense if interferometric beam recombination is possible.
Based on theoretical considerations, the heating mechanism through the transport of hot electrons – which are generated by femtosecond UV radiation – can be studied. Acceleration of macroscopic plasma blocks generated by the nonlinear interaction to high velocities in a very short time is especially straightforward.
By changing the pump pulse duration within the time domain of the different characteristic processes the comparison of the morphology created by laser fields and of the results of the pump-probe measurements is to be compared.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Ultraviolet excimer gas lasers are good complementary of IR solid-state lasers. Ultraviolet KrF lasers have the advantage that considerably high focused intensities (I>1019^W/cm^2) can be reached even with medium output pulse powers.
As a consequence of the I[lambda]^2 scaling of the nonlinearities, the laser energy will not be lost by nonlinear interactions and will not be converted to the energy of fast particles but it can efficiently be converted to short-wavelength (x-ray) radiation.
A recent, very exciting development is the generation of strong, coherent radiation at 2.7 Å pumped by a TW-class KrF laser, which can also be realized in our laboratory in case of succesful realization of this project.
Such an intense x-ray source is well suited to high-resolution x-ray holography, and is expected to revolutionize structural biology.
The good spatial resolution allowed by the short wavelength, the lack of thermal effects due to the short pulse duration and the strong absorption gives unique possibility in the field of material’s processing and surface modifications.
Table-top high-intensity lasers allow the investigation of high-temperature matter and shock waves, which makes possible to study the physics of stars in laboratory environment.
The unique temporal and spatial “purity” of KrF laser pulses has primary importance in most of the high-intensity experiments.
The spectroscopy of hot dense matter is of great importance in ICF approaches using fast ignition or shock-wave ignition. The acceleration of microscopic blocks in ICF applications is quite important; the large achievable accelerations are suitable for modelling astrophysical phenomenon.
In case of the realization of the project, the knowledge and experience accumulated by researchers of DEP USZ in the field of KrF excimer lasers makes the realization of a TW-class, short-pulse KrF laser system possible. This puts the HILL laboratory and the Hungarian research to the forefront in the field of laser- and plasma physics, thus significantly improving the chance of our participation in large European projects.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
One of the main objectives of natural sciences is to follow the different processes with the highest possible spatial and temporal resolution, moreover to control/change the structure of matter with the same resolution. Short-wavelength, high-brightness electromagnetic radiations of short pulse duration give unique possibility for such investigations.
The most important goal connected to successful realization of this project is the realization of a multiterawatt laser system of a unique parameters. With such a system it is expected to reach the threshold of several intense x-ray sources.
With regard to these facts, success of this project can lead to evolution of biological, medical and material sciences. This can be realized in the establishment/strengthening the cooperation with other research groups.
KrF lasers are capable to generate pulses of excellent temporal and spatial contrast (free of temporal and spatial noise). These pulses are ideal to study plasma physical processes and to study the different properties of the generated plasma.
The nonlinear force – associated with the high intensity field – accelerates the plasma blocks macroscopically and record accelerations can be produced and detected.
The recognition/knowledge of the microscopic structure of the surface created by laser-matter interaction makes possible a planned influence of surface roughness and appearance of parallel stripes structure which in the “microworld” were thought to occur randomly. This can lead to the solution of numerous problems of microstructuring.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Sándor Szatmári, Rita Dajka, Anagéla Barna, Barnabás Gilicze and István B Földes: Improvement of the temporal and spatial contrast of high-brightness laser beams, Laser Physics Letters, 13, 075301, 2016 | | BARNABÁS GILICZE, RITA DAJKA, ISTVÁN B. FÖLDES AND SÁNDOR SZATMÁRI1: Improvement of the temporal and spatial contrast of the nonlinear Fourier-filter, Optics ExpressVol. 25, No. 17,20791, 2017 | | Gilicze, B., Homik, Zs., Szatmári, S: High-contrast, high-brightness ultraviolet laser system, Optics Express, Vol12, 17377-17386, 2019 | | J. Csontos, Z. Toth, Z. Pápa, J. Budai, B. Kiss, A. Börzsönyi, B. Gilicze, M. Füle: Structure and surface morphology evolution of disordered carbon surfaces during transformation by 0.2-20 ps laser pulses, Applied Physics A (közlésre elküldve), 2016 | | Zs. Kovács, B. Gilicze, K. Bali, S. Szatmári and I.B. Földes: Reflectivity and spectral shift from plasma mirrors generated by KrF laser, 40th Hirschegg Workshop, 2020. January (előadás), 2020 | | Anett Gárdián, Roland Masa, János Csontos, Judit Budai, Miklós Füle, Ádám Börzsönyi, Bálint Kiss, Kinga Turzó, Zsolt Tóth: The influence of pulse duration, wavelength and fluence on laser induced structure formation from the viewpoint of dental applications, The 13th Conference on Laser Ablation (COLA-2015) Cairns, Australia, 31 August – 4 September 2015 (Poszter), 2015 | | J. Csontos, Z. Toth, Z. Pápa, J. Budai, B. Kiss, A. Börzsönyi, M. Füle: Structure and surface morphology evolution of amorphous carbon surfaces during transformation by 0.2-20 ps laser pulses, The 13th Conference on Laser Ablation (COLA-2015) Cairns, Australia, 31 August – 4 September 2015 (Poszter), 2015 | | J. Csontos, Z. Toth, Z. Pápa, J. Budai, B. Kiss, A. Börzsönyi, M. Füle: Periodic structure formation and surface morphology evolution of glassy carbon surfaces applying 35-fs–200-ps laser pulses, Applied Physics A, Volume 122, Issue 6, Article number 593, 2016 | | István B Földes, Barnabás Gilicze, Zsolt Kovács and Sándor Szatmári: Plasma Mirrors for Cleaning Laser Pulses from the Infrared to the Ultraviolet, EPJ Web of Conferences 167, 04001, 2018 | | S Szatmári, R Dajka, A Barna, B Gilicze and I B Földes: Improvement of the temporal and spatial contrast of high-brightness laser beams, Laser Physics Letters, 13, 075301, 2016 | | Barnabás Gilicze, Angéla Barna, Zsolt Kovács, Sándor Szatmári, and István B. Földes: Plasma mirrors for short pulse KrF lasers, Review of scientific instruments 87, 083101, 2016 | | Barnabás Gilicze, Márió Moczok, Dániel Madarász, Nóra Juhász, Bence Racskó, and László Nánai: Periodic surface structure creation by UV femtosecond pulses on silicon, AIP Conf. Proc. 1796, 030001-1–030001-5;, 2017 | | B. Gilicze, S. Szatmári, R. Dajka, I.B. Földes: Improvement of the Nonlinear Fourier Filter: A possibility to reach 10^8 contrast enhancement of high-power laser beams, Conference of High Intensity Lasers and attosecond science in Israel, 2016. február 22-24. (előadás), 2016 | | BARNABÁS GILICZE, RITA DAJKA, ISTVÁN B. FÖLDES AND SÁNDOR SZATMÁRI1: Improvement of the temporal and spatial contrast of the nonlinear Fourier-filter, Optics ExpressVol. 25, No. 17,20791, 2017 | | István B Földes, Barnabás Gilicze, Zsolt Kovács and Sándor Szatmári: Plasma Mirrors for Cleaning Laser Pulses from the Infrared to the Ultraviolet, EPJ Web of Conferences 167, 04001, 2017 | | B. Gilicze, Zs. Homik, I.B. Földes and S. Szatmári: Development of high-brightness, high-contrast UV laser system, Conference on High Intensity Lasers and attosecond science in Israel, December 11-13, 2017, Tel-Aviv, Israel(poszter), 2017 | | B. Gilicze, P.I. Szabó, Zs. Homik, M. Moczok, Zs. Kovács, Z. Tóth, L. Nánai: Regular patterns created by femtosecond laser pulses, TIM17 Physics Conference, 25-27 May, 2017, Timisoara, Romania (előadás), 2017 | | Barnabás Gilicze, Zsolt Homik, István B. Földes and Sándor Szatmári: Generation of intense UV pulses of extremely high contrast, ECLIM 2018, Rethymnon, Greece, 2018. október 22-26. (meghívott előadás), 2018 | | Barnabás Gilicze, Zsolt Homik, István B. Földes and Sándor Szatmári: High-intensity high-contrast UV laser system, ICUIL 2018 conference, Lindau, Germany, 2018. szeptember 9-14. (poszter), 2018 | | Katalin Litauszki, Zsolt Kovács, László Mészáros, Akos Kmetty: Accelerated photodegradation of poly(lactic acid) with weathering test chamber and laser exposure – A comparative study, Polimer Testing (accepted paper), 2019 | | Barnabás Gilicze, Angéla Barna, Zsolt Kovács, Sándor Szatmári, and István B. Földes: Plasma mirrors for short pulse KrF lasers, Review of scientific instruments 87, 083101, 2016 | | Sándor Szatmári, Barnabás Gilicze, Rita Dajka and István B. Földes: Generation of intense UV pulses of extremely high contrast, ECLIM 2018, Rethymnon, Greece, 2018. október 22-26. (meghívott előadás), 2018 | | 38. X Ropagnol, Zs Kovács, B Gilicze, MZhuldybina, F Blanchard, CMGarcia-Rosas, S Szatmári, I B Földes and T Ozaki: Intense sub-terahertz radiation from wide-bandgap semiconductor based large-aperture photoconductive antennas pumped by UV lasers, New Journal of Physics, Vol21, 113042, 2019 | | B. Bódi, M. Aladi, P. Rácz, I.B. Földes and P. Dombi: High Harmonic generation on noble gas clusters, Optics Express, Vol.27, 26721, 2019 | | Katalin Litauszki, Zsolt Kovács, László Mészáros, Akos Kmetty: Accelerated photodegradation of poly(lactic acid) with weathering test chamber and laser exposure – A comparative study, Polimer Testing, Vol.76, 411-419, 2019 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
