Vivő-burkoló fázis kontrollált néhány ciklusú impulzusok generálása undulátor sugárzással
Title in English
Carrier-envelope phase controlled few-cycle pulse generation by undulator radiation
Keywords in Hungarian
attoszekundum, undulátor, elektron
Keywords in English
attosecond, undulator, electron
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)
100 %
Ortelius classification: Applied optics
Panel
Physics 1
Department or equivalent
Institute of Physics (University of Pécs)
Participants
Almási, Gábor Hebling, János Kovács, Bálint Sapolov, Anatolij Sarkadi, Balázs Róbert Tokodi, Levente Tóth, György Turnár, Szabolcs Tamás
Starting date
2018-09-01
Closing date
2023-02-28
Funding (in million HUF)
21.252
FTE (full time equivalent)
8.66
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 tudomány egyik frontvonala az ultragyors folyamatok vizsgálata. Jelenleg attoszekundumos impulzusokkal vizsgálják a leggyorsabb folyamatokat. A vivő-burkoló fázis (CEP) kontrollált, mindössze néhány optikai ciklust tartalmazó impulzus generálás technikája a máig nem kidolgozott. Korábban javasoltunk egy megoldást a problémára [1], amely nanoméretű relativisztikus elektroncsomók előállításán, és azokkal keltett undulátor sugárzáson alapul [1-2]. A kidogozott eljárás tesztkísérlete megvalósítható a berlini DESY PITZ elektrongyorsítójában egy nemzetközi együttműködés keretein belül. A fő cél a pályázat keretein belül a kísérleti elrendezés numerikus megtervezése, mely eredménye megalapozza egy jövőbeli egyciklusú attoszekundumos impulzus megvalósulását (a MAX IV gyorsítóban Svédországban).
A kitűzött céljaim: 1. A Berlinben üzemelő DESY PITZ gyorsító munkatársaival együttműködve (Mikhail Krasilnikov, Prach Boonpornprasert) numerikus programok segítségével fogom szimulálni és vizsgálni az elektroncsomó pályáját az elektrongyorsító teljes hosszán. 2. Numerikus szimulációkkal megtervezzük a moduláló undulátort, melynek megtervezésében együttműködő partner az Uppsala-i egyetem (Georgii Shamuilov). 3. Numerikus szimulációkkal vizsgálom a THz-es impulzus és az elektroncsomó kölcsönhatását az MTA-PTE Nagyintenzitású THz-es kutatócsoport munkatársaival (Hebling János, Almási Gábor). 4. Megtervezem a chicane-t és a sugárzó undulátort és vizsgálom az előállított egyciklusú sugárzást az Uppsala-i egyetem munkatársaival (Alan Mak, Vitaliy Goryashko).
[1] Z. Tibai et al, Phys. Rev. Lett. 113, 104801 (2014), arXiv:1604.08050 [2] Z. Tibai et al, Patent USPTO 14/773,006
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 célom a projekt során, hogy numerikus szimulációimmal megtervezzem és megvizsgáljam a jövőbeli proof-of-principle kísérletet, mellyel először lehet majd előállítani a világon egyciklusú undulátor sugárzást (a DESY PITZ gyorsítójában), megalapozva egy jövőbeli attoszekundumos impulzust előállító kísérletet (a MAX IV gyorsítóban). A proof-of-principle kísérlet megtervezése és vizsgálata során több kérdésre is választ fogunk kapni: 1. Mennyire fókuszálható le az elektronnyaláb a lineáris gyorsító végén? Mekkora az optimális elektronnyaláb transzverzális mérete, hogy az energiamoduláció a lehető leghatékonyabb legyen? 2. Mennyire tér el a valós undulátor mágneses terétől az idealizált mágneses tér? Mekkora ennek a hatása az elektron pályájára? 3. A THz-es impulzus fókuszálása milyen elrendezésben valósítható meg? Mekkora a legkisebb foltméret, ami elérhető? Mennyire torzulhat az impulzus az erős fókuszálás következtében? 4. A chicane mentén keletkező szinkrotron sugárzásnak mekkora a hatása a kialakult elektroncsomóra? 5. Mekkora a keletkező sugárzás energiája? 6. Mekkora a kialakuló sugárzás foltmérete? Mennyire divergál az impulzus? 7. A CEP-nek mekkora a fluktuációja? 8.Az impulzus CEP-je mennyire változik az optikai tengelytől távolodva? 9. Az eredmények fényében milyen hatékonyság várható az attoszekundumos tartományban?
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! Attoszekundumos impulzusok lehető teszik, hogy kutatni és vizsgálni tudjuk a leggyorsabb atomi szinten lejátszódó fizikai, kémiai és biológia folyamatokat. Azonban olyan speciálisan kontrollált impulzusokat, melyek néhány ciklusúak és vivő-burkoló fázisuk (CEP) kontrollált, sem magasharmonikus keltéssel, sem undulátor sugárzással nem sikerült eddig előállítani. A CEP stabil impulzusok előnye, hogy ezekkel a legprecízebb kísérletek lehet elvégezni. 2014-ben tettünk egy javaslatot, mellyel lehetőség nyílik ilyen speciális attoszekundumos impulzusokat előállítani. 2017-ben egy nemzetközi együttműködés alakult 6 ország 9 kutatócsoportjának részvételével, melynek egy közös célja van, hogy néhány ciklusú attoszekundumos impulzust lehessen előállítani. A csoport egy tesztkísérlettel tervezi igazolni a számolások eredményeit (kezdetben csak THz-es tartományon), mely megalapozza egy jövőbeli attoszekundumos impulzust előállító kísérletet. A hosszú távú együttműködés sikere és az első egyciklusú majd később az első attoszekundumos impulzus generálásának megvalósítása forradalmian meg fogja változtatni az attoszekundumos és a szabadelektron lézer közösséget.
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 szabadelektron lézerek által generált nagy energiájú fényimpulzusok jelentős szereppel bírnak több tudományág, többek között a biológia, a kémia és a fizika területén. Az általuk előállított lézerimpulzusok nagyenergiájúak, de időbeli hosszuk meghaladja a több száz ciklust, ami behatárolja a kísérleti alkalmazhatóságukat. Ezért a szabadelektron lézeres közösség egy olyan eljárást igyekszik találni, amivel ez a ciklusszám csökkenthető. 2014-ben numerikus számolásainkkal igazoltuk, hogy létezik olyan eljárás mellyel néhány (akár egy) ciklusú impulzus is generálható. Az elrendezésnek egy tesztkísérletét tervezzük megvalósítani a németországi DESY PITZ elektrongyorsítójában egy nemzetközi együttműködéssel, melynek 6 ország 9 kutatócsoportja a tagja. A tesztkísérlet első mérföldköve lesz egy hosszútávú együttműködésnek, melynek célja nem csak egyciklusú, de ultragyors vagyis attoszekundumos impulzusok előállítása (a MAX IV Svédországi elektrongyorsítóban), mellyel atomi szintű vizsgálatokat lehet majd végezni a jövőben. Jelen pályázat során a DESY PITZ-ben megvalósuló elrendezés numerikus vizsgálatával fogok foglalkozni, mely során megtervezem az impulzust előállító berendezés elemeit.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. One of the front lines of science is the investigation of ultra-fast processes. At present attosecond pulses are used for studying the fastest processes. However,the generation technology of carrier-envelope phase controlled (CEP) few cycle pulses has not been developed yet. Recently, we proposed a solution of the problem[1] which is based on the production of nano-size relativistic electron bunches and radiation emitted by them in an undulator [1-2].A proof-of-principle experiment of our suggested setup is planned at the electron accelerator of DESY PITZ Berlin within the framework of an international collaboration. The main goal of my proposal is to design this experimental layout by numerical simulations. The result of the proof-of-principle experiment can pave the way for the first CEP controlled single-cycle attosecond pulse generation (MAX IV accelerator in Sweden). My goals within the project are: 1. In collaboration with the colleagues of the DESY PITZ accelerator (Mikhail Krasilnikov, Prach Boonpornprasert) will study the trajectory of electrons on the entire length of the accelerator. 2. We will design the modulator undulator in close collaboration with Uppsala University (Georgii Shamuilov). 3. We also study the interaction between the THz pulse and the electron bunch with the colleagues of the MTA-PTE High Intensity THz Research Group (János Hebling, Gábor Almási). 4. We will design the chicane and radiator undulator and study the single-cycle radiation generation with the colleagues of Uppsala University (Alan Mak, Vitaliy Goryashko). [1] Z. Tibai et al, Phys. Rev. Lett. 113, 104801 (2014), arXiv:1604.08050 [2] Z. Tibai et al, Patent USPTO 14/773006
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. The goal of my proposal is to design and study the proof-of-principle experiment with numerical simulations, which could generate the first single-cycle undulator radiation in the world (DESY's PITZ accelerator). These results could serve as a basis of a future experiment to generate single-cycle attosecond pulses (MAX IV accelerator). During the examination of the proof-of-principle experiment, we will answer several questions: 1. What can be the smallest transversal size of the electron beam at the end of the linear accelerator? What is the optimal transversal size of the beam to achieve the highest modulation efficiency? 2. How much difference is between the magnetic field of the real undulator and the idealized undulator? What is the effect of this on the electron path? 3. How strong THz focusing can be achieved? What is the smallest spot size? How does the pulse shape deform due to the strong focusing? 4. What is the effect of the synchrotron radiation generated by the chicane on the produced electron bunch? 5. What is the energy of the generated radiation? 6. How large is the spot size of the generated radiation? How large is the divergence of the beam? 7. How large is the fluctuation of the CEP of the generated pulse? 8. How does the CEP of the pulse change for off-axis points? 9. In the light of the results, what efficiency is expected in the attosecond range?
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. Attosecond pulses make possible to explore and investigate atomic level phenomenon and ultrafast dynamics in the physical, chemical and biological processes. However, a specially-controlled pulse, which has few cycles and its carrier-envelope phase (CEP) is controlled, could not be produced yet by either undulator radiation or high harmonic generation. The main advantage of these pulses is that, using such CEP stable pulses, we can complete the most precise experiments. In 2014 we made a suggestion for a set up to produce such special attosecond pulses. In 2017 a collaboration was formed with the participation of nine research groups (including us) from 6 countries with the common goal of producing few cycle attosecond pulses. The aim of the group is to verify experimentally the results of the calculations (initially in the THz range), which will be the basis of the future attempt in attosecond pulse generation. A long-term cooperation and the generation of the first single-cycle and later the first attosecond pulse will bring the revolutionary change in the attosecond and free electron laser community too.
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. The high-energy light pulses generated by free-electron lasers play a significant role in many disciplines, including biology, chemistry and physics. The generated laser pulses have high energy (mJ level), however their pulse duration exceeds hundreds of cycles, which restricts their experimental applicability. Therefore, the free electron laser community tries to find a way to reduce the amount of cycles. In 2014 we verified with numerical calculations the possibility of generating few (even one) cycle pulses with a special set up. We are planning to implement a test experiment in the DESY PITZ electron accelerator in Germany within an international collaboration of 9 research teams from 6 countries. The test experiment will be the first milestone of our long-term collaboration. The common goal is to produce single-cycle and ultrafast i.e. attosecond pulses (in the MAX IV electron accelerator in Sweden), which will allow atomic level examinations in the future. The main goal of our proposal is to design and investigate the experimental setup in DESY PITZ by numerical simulations, which will produce the first single-cycle pulse in the world by undulator radiation.
Final report
Results in Hungarian
A projekt során vizsgáltunk egy alternatív és egy rádiófrekvencián üzemelő elektrongyorsítót. Új típusú, félvezető és lítium niobát alapú terahertzes forrásokra tettünk javaslatot, melyekkel a numerikus szimulációk szerint elérhető a részecskemanipuláláshoz szükséges MV/cm-es térerősség. Javasoltunk és numerikusan vizsgáltunk olyan terahertzes impulzusokon alapuló részecskegyorsító elrendezést, mely elektronok gyorsítására és összenyomására is alkalmas. Javaslatot tettünk egy speciális lineáris elektrongyorsítón alapuló elrendezésre, mellyel numerikus szimulációnk alapján alakformált, vivő-burkoló fázis kontrollált attoszekundumos impulzusok állíthatóak elő.
Results in English
During the project, we examined an alternative electron accelerator and an electron accelerator operating at radio frequency. First, we proposed a new type of semiconductor and lithium niobate-based terahertz sources, with which, according to numerical simulations, the MV/cm field strength required for particle manipulation can be achieved. Next, we proposed and numerically investigated a particle accelerator setup based on terahertz pulses suitable for accelerating and compressing electron bunches. Finally, we proposed a special arrangement based on a linear electron accelerator, with which waveform and carrier-envelope phase-controlled attosecond pulses can be produced based on our numerical simulation.
Georgii Shamuilov, Anatoliy Opanasenko, Kévin Pepitone, Zoltán Tibai and Vitaliy Goryashko: Emittance self-compensation in blow-out mode, New Journal of Physics 24 123008, 2022
