Ultragyors és attoszekundumos fizika

Ultragyors folyamatok vizsgálata korszerű femtoszekundumos lézerekkel
Nemlineáris folyamatok intenzív lézerterekben
Multispektrális ellipszometria

A csoport munkatársai



Ultragyors folyamatok vizsgálata korszerű femtoszekundumos lézerekkel
 
A mindennapi életben az ember legtöbbször fehér fényforrásokkal találkozik. Az is köztudott, hogy a lézerek képesek arra, hogy igen monokromatikus, egyszínű sugárzást bocsássanak ki. Azonban kevésbé ismert, hogy összetett, közel fehér színű fényt kibocsátó lézereket is lehet építeni, és hogy ezek jelentős szerepet kapnak olyan, a természetben nagyon gyorsan lezajló folyamatok vizsgálata során, melyek mindössze néhány attoszekundumtól néhány femtoszekundumig terjedő időtartamúak (1 fs = 10-15 s, 1 as = 10-18 s). Ahhoz, hogy ilyen extrém rövid időskálán végbemenő folyamatokat vizsgálni tudjunk (hasonlóan egy gyors mozgás egy-egy adott fázisát rögzítő fényképezőgéphez), kontrollálható, rövid lézerfény-felvillanások, ún. lézerimpulzusok szükségesek. Jelenleg a lézerek jelentik az egyetlen lehetséges megoldást az ilyen ún. ultragyors, atom- és molekulafizikai, kémiai folyamatok egyes fázisainak láthatóvá tételére. Ezért az ehhez szükséges lézerrendszerek fejlesztése és alkalmazásaik egyre nagyobb jelentőséggel bírnak mind a felfedező (alap-), mind az alkalmazott kutatásokban.
 
Az SZFKI-ban ehhez kapcsolódó kutatási területek különböző formákban jó ideje jelen voltak, például az intézet kutatói 1992-ben elsőként javasolták attoszekundumos röntgenimpulzusok előállításának ma is használt módszerét, illetve 1994-ben feltalálták az ún. fáziskorrigáló tükröket. Ezeket a kutatási irányokat kiegészítve külföldről hazatelepült kutatók 2006-ban ultragyors fizikai laboratóriumot hoztak létre az intézetben, ahol újabb femtoszekundumos fényforrásokat és vizsgálati módszereket honosítottak meg. Általánosan igaz, hogy minél rövidebb lézerimpulzust szeretnénk elérni, a spektrum annál szélesebb tartományát lefedő lézerforrást kell építeni, ami sok esetben komoly technológiai kihívást is jelent. Az SZFKI-ban megépült két olyan, világviszonylatban is ritkaságnak számító lézer, amelyek amellett, hogy femtoszekundumos lézerimpulzusokat bocsátanak ki, nagy ismétlési frekvenciát és viszonylag nagy impulzusonkénti energiát is biztosítanak. Ezek a lézerek optimálisan használhatók mind femtoszekundumos technológiai kísérletekhez, mind az extrém lézerfény különböző anyagi rendszerekkel történő kölcsönhatásának vizsgálatához.
 
Az elmúlt években a csoport tagjai többek között kimutatták, hogy hogyan lehet ilyen lézerimpulzusok spektrumát még szélesebbé tenni, és ezáltal az elérhető impulzusokat jelentősen lerövidíteni; újfajta, speciális femtoszekundumos tükrök használatát demonstrálták különböző lézerekben; illetve megmutatták, hogy hogyan lehet ultrarövid impulzusokat egy fókuszfolt közelében „befagyasztani”, vagyis olyan terjedést elérni, hogy az optikai hullám egy jelentős hosszon változatlan alakkal terjedjen tovább.
 
Mindezek mellett kihasználták ezen impulzusok azon tulajdonságát is, hogy mind térben (fókuszálással), mind időben (rövidségük miatt) nagy energiakoncentrációt tesznek lehetővé, ezáltal olyan mértékű hozzájárulást adva az atombeli térerősségekhez, ami alapvetően megváltoztatja pl. az elektronemissziós folyamatok tulajdonságait. Világelsőként megmutatták, hogy extrém rövid idejű hullámcsomagok nem csak lézerimpulzusként, hanem fémfelületekhez kötött elektromágneses hullámként (ún. felületi plazmonként) is terjedhetnek, ilyenkor ráadásul lényegesen nagyobb, közel hússzor akkora elektromos térerősség hozható létre annál, mint amit egy lézernyalábban ki tudnánk használni. Az így demonstrált módszer segítségével olyan ultragyors, kizárólag optikai úton történő elektrongyorsítást mutattak ki, mely mindössze néhány száz nanométeres távolságon megy végbe. Az így kapott femtoszekundumos elektronforrást több új anyagvizsgálati módszerben is ki lehet használni.
 
A femtoszekundumos lézerek az elmúlt évtizedben lehetővé tették fizikai, kémiai és biológiai folyamatok nagy időbeli felbontású vizsgálatát. Az ilyen módszerek továbbfejlesztése jelentős társadalmi hasznot jelent anyagszerkezeti, biofizikai, szerkezeti kémiai kutatásokon keresztül. A közeljövőben ezért az SZFKI kutatói különböző hazai és nemzetközi együttműködések keretében ultragyors folyamatok vizsgálatát tervezik egyedi nanostruktúrákon és a látás folyamatában nagy szerepet játszó rodopszinfehérjén is. A csoport jelenleg évi 5-6 publikációt jelentet meg vezető optikai és fizikai szakfolyóiratokban, tagjai több egyetemen (SZTE, ELTE, BME) tartanak a femtszekundumos tudományt és technológiát bemutató kurzusokat, továbbá jelentős szerepet vállalnak az Extreme Light Infrastructure (ELI) európai uniós kutatási infrastruktúraprojekt szegedi attoszekundumos fényforrásának előkészítő munkájában.
 
Infravörös femtoszekundumos lézerimpulzusok keltése zöld pumpálólézerrel

Infravörös femtoszekundumos lézerimpulzusok keltése zöld pumpálólézerrel.

Ultrarövid lézerimpulzusok időbeli összenyomása speciális tükrökkel
 
Ultrarövid lézerimpulzusok időbeli összenyomása speciális tükrökkel és nanométeres hosszon
történő elektrongyorsítás
sémája fémfelület közelében ilyen lézernyalábok segítségével.
 
[1] G. Farkas and C. Tóth, “Proposal for attosecond light pulse generation using laser-induced multiple harmonic conversion processes in rare gases”, Phys. Lett. A 168, 447-450 (1992)

[2] P. Dombi, P. Antal, J. Fekete, R. Szipöcs, Z. Várallyay, "Chirped-pulse supercontinuum generation with a long-cavity Ti:sapphire oscillator", Appl. Phys. B, 88, 379 (2007). PDF dokumentum

[3] P. Dombi, P. Rácz, M. Lenner, V. Pervak, F. Krausz, "Dispersion management of femtosecond laser oscillators with highly dispersive mirrors" Opt. Express 17, 20598-20604 (2009). PDF dokumentum

[4] M. A. Porras, P. Dombi, "Freezing the carrier-envelope phase of few-cycle light pulses about a focus" Opt. Express 17, 19424-19434 (2009). PDF dokumentum

[5] P. Dombi, S. E. Irvine, P. Rácz, M. Lenner, N. Kroó, G. Farkas, A. Mitrofanov, A. Baltuska, T. Fuji, F. Krausz and A. Y. Elezzabi, "Observation of few-cycle, strong-field phenomena in surface plasmon fields" Opt. Express 18, 24206-24212 (2010). PDF dokumentum

[6] P. Rácz, S. E. Irvine, M. Lenner, A. Mitrofanov, A. Baltuska, A. Y. Elezzabi and P. Dombi, "Strong-field plasmonic electron acceleration with few-cycle, phase-stabilized laser pulses" Appl. Phys. Lett. 98, 111116 (2011). PDF dokumentum

[7] S. E. Irvine, P. Dombi, Gy. Farkas, A. Y. Elezzabi, "Influence of Carrier-Envelope Phase of Few-Cycle Pulses on Surface-Plasmon-Ponderomotive Electron Interaction", Phys. Rev. Lett. 97, 146801 (2006). PDF dokumentum

[8] P. Dombi, A. Hörl, P. Rácz, I. Marton, A. Trügler, J. R. Krenn, U. Hohenester, "Ultrafast strong-field photoemission from plasmonic nanoparticles,", Nano Lett. 13, 674-678 (2013). PDF dokumentum
 

E-Mail: Dombi Péter

FEL


Nemlineáris folyamatok intenzív lézerterekben

■ Erős elektromágneses terek kölcsönhatása anyaggal.

Amennyiben az anyaggal kölcsönható elektromágneses terek közül (amelyek esetünkben  lézersugárzást, s más sztatikus vagy lassan változó, pl. mikrohullámú vagy terahertzes tereket jelentenek) valamelyik, vagy közülük több is, extrém erősségű, akkor az anyag válasza nagymértékben nemlineáris lehet[1, 2]. Ez azt jelenti, hogy a válaszfüggvény (például indukált atomi polarizáció, fotoelektronok árama vagy a kisugárzott fény erőssége) a bejövő lézerfény intenzitásának (és fázisviszonyainak) bonyolult nemlineáris függvénye lesz, tehát nem érvényesül az egyszerű arányosság. Oszcilláló (vagy kváziszatikusan alternáló) terek esetében ez egyben azzal jár, hogy az alapfrekvencia igen magasrendű felharmonikusai számottevő erősséggel megjelennek a szórt sugárzásban, illetve a jel spektruma magasrendű oldalsávokkal rendelkezik. Az ilyen folyamatok elméleti leírására az általunk tanulmányozott esetekben még a magasrendű perturbációszámítás is érvényét (értelmét) veszti, és hatásos nem-perturbatív módszerek kidolgozására van szükség. Számos ilyen (lényegében az erős, akár relativisztikusan íntenzív, térrel való kölcsönhatás leírása szempontjából egzakt) elméletet dolgoztunk ki, s ezeket alkazzuk intenzív Thomson- és Compton-szórás, inverz fékezési sugárzás [3, 4, 5], fémek sokfotonos fotoeffektusa, plazmonok (és általában, erős, felületek mentén “koncentrált közeli terek”) által közvetített elektronemisszió, valamint magasrendű felharmonikusok keltésének értelmezésére [1, 2, 6, 7, 8]. Korábbi vizsgálataink egyik érdekes következtetése, hogy a nemlinearitás miatt kialakuló széles spektrumok nagy mértékben manipulálhatók, abban az esetben, ha a gerjesztéshez egyidejűleg használunk racionális frekvenciaarányú bikromatikus fényt. A gerjesztő összetevők relatív fázisának változtatásával a spektrumban tetszés szerint erősíthető, vagy gyengíthető számos komponens, s így a jel koherens kontrollja valósítható meg [9]. Ezekkel bizonyos mértékig hasonló elméleti módszereket alkalmaztuk az ultrarövid lézerimpulzusok ún. vivő-burkoló fázisától függő nemlineáris jelek leírására[1, 2], valamint az attoszekundumos fényimpulzusok és attoszekundumos elektron-impulzusok [10] keletkezésekor kulcsfontosságú relatív fázisok nyomonkövetésére is. Jelenlegi ilyen irányú elméleti kutatásaink egyik általunk elsőként bevezetett fontos elemének tartjuk, hogy a már széleskörben eddig kidolgozott szemiklaszikus nem-perturbatív leírási módszereket meghaladva, vizsgálatainkat kombináljuk a kvantumoptikában használatos módszerekkel is, tehát kvantált elektromágneses sugárzásnak tekintjük az intenzív lézerteret is. Ezzel a módszerrel már bebizonyítottuk, hogy a kvantumos összefonódás fellépése számottevően befolyásolhatja az általunk vizsgált extrém jelek magasabbrendű korrelációs tulajdonságait [11, 12]. E megközelítéshez  természetesen illeszkedik az általunk korábban kidolgozott mértékinvariáns relativisztikus Wigner-függvények formalizmusa [13, 14].


■ A hullám-részecske kettősség alapvető kérdései.

Az extrém fényjelek és elektronjelek tulajdonságainak elméleti és kísérleti tanulmányozása során számos olyan fundamentális kérdéssel találkozunk, amelyek a fény (illetve, más nemzérus nyugalmi tömegű részecskék) kettős természetével szorosan összefüggnek. Kíváló példa erre a nemlineáris fotoeffektus (többfotonos ionizáció, vagy akár a magasrendű felharmonikusok keltése) lejátszódása az ún. optikai tunnelezés tartományában. Nem túl nagy intenzitásoknál az electronáram spekruma egyenközű diszkrét csúcsokból áll, s ez fotonok (egész számú gerjesztések)  abszorpciójával értelmezhető. Ugyanakkor  a tunnel-tartományban kilépő elektronáram megjelenése úgy értelmezhető, hogy a lézer elektromos tere mintegy “letöri a kötés potenciálgátját”, és az elektron alagúthatással kiszökik egyetlen optikai periódus alatt. Nyilvánvaló hogy ebben az extrém esetben mind a fény mind az elektron “két arcával” találkozunk; a lézertér folytonos hullámként viselkedik, de ugyanakkor belőle diszkrét adagok abszorbeálódnak. Az electron pedig, hullámtulajdonságát felhasználva, mintegy “átfolyik” az egyébként klasszikus részecske számára áthatolhatatlan potenciálgáton. Mindemellett, a mért elektronáram a töltött részecskékből álló (granulált) klasszikus töltéseloszlásokra jellemző sörétzajt is produkál. Az ilyen és hasonló jelenségek vizsgálata során tehát szükségszerűen szembekerülünk a hullám-részecske dualizmus problémájával, és számos, még ma is nyitott kérdéssel találkozunk. Ezek  esetünkben különösen élesen vetődnek fel, elsősorban az extrém jelek kvantumos fázisviszonyaira és koherenciájára vonatkozólag. Megjegyezzük, hogy munkánk során, eredményeink értelmezésében fontos szerepet játszik a kvantumfizika kialakulása körüli fejlemények (pl. a fekete test sugárzásával és a Planck-állandó felfedezésével kapcsolatos körülmények) történeti elemzése [15], és a már akkor felvetődött, de még ma sem tisztázott „végtelen oszthatóság” kérdésének matematikai megközelítése is [16]. Ezirányú vizsgálataink során a kvantum-koherenciaelmélet („második”, vagyis térkvantálás) és a klasszikus valószínűségszámítás esetleges kapcsolódási pontjait kutatjuk, különös tekintettel az ún. Hanbury Brown és Twiss típusú korrelációkra [17]. A jelenleg általánosan elfogadott, Hilbert-téren alapuló, formalizmus keretein belül az ultrarövid fényimpulzusok kvantumos fázisbizonytalanságát (fázis- és szögváltozók operátorának helyes definíciójának kérdését) vizsgáljuk, amely, véleményünk szerint, különösen a fényjelek extrém pontosságú szinkronizációja szempontjából a közeljövőben gyakorlati jelentőséget is kaphat [1, 10, 11].

1. Varró S; Intensity effects and carrier-envelope phase difference effects in nonlinear laser-matter interactions. in F. J. Duarte (Editor); Laser Pulse Phenomena and Applications, Chapter 12; pp. 243-266 (InTech, Rijeka, 2010)

2. Varró S; Linear and nonlinear absolute phase effects in interactions of ulrashort laser pulses with a metal nano-layer or with a thin plasma layer.
Laser and Particle Beams; 25, 379-390 (2007); arXiv: physics/0610266 [plasm-ph]

3. Bergou J and Varró S; Nonlinear scattering processes in the presence of a quantised radiation field: I. Non-relativistic treatment; II. Relativistic treatment.
Journal of Physics A: Math. Gen.; 14, 1469-1482; 2305-2315 (1981)

4. Varró S and Ehlotzky F; Generalized coherent states for electrons in external fields  and  application to potential scattering.
Physical Review A; 36, 497-509 (1987)

5. Varró S and Ehlotzky F; Thomson scattering in strong external fields.
Zetschrift für Physik D; 22, 619-628 (1992)

6. Varró S and Ehlotzky F; High-order multiphoton ionization at metal surfaces by laser fields of moderate power.
Physical Review A; 57, 663-666 (1998) 

7. Varró S and Ehlotzky F; Higher  harmonic generation at metal surfaces by powerful femtosecond laser pulses.
Physical Review A; 54, 3245-3249 (1996)

8. Varró S, Kroó N, Farkas Gy and Dombi P; Spontaneous emission of radiation by metallic electrons  in the presence of electromagnetic fields of surface plasmon oscillations.
Journal of Modern Optics;  57, 80-90 (2010); arXiv: 0903.0074 [physics.optics]

9. Varró S and Ehlotzky F; Potential scattering of electrons in a bichromatic laser field of frequencies w and 2w or w and 3w.
Optics Communications 99,177-184 (1993)

10. Varró S and Farkas Gy; Attosecond electron pulses from interference of above-threshold de Broglie waves.
Laser and Particle Beams; 26, 9-19 (2008); arXiv: 0705.0212v1 [physics.plasm-ph]

11. Varró S : Entangled photon-electron states and the number-phase minimum uncertainty states of the photon field.
New Journal of Physics; 10, 053028 (35pp)  (2008); arXiv: 0712.3849v1 [quant-ph]

12. Varró S; Entangled states and entropy remnants of a photon-electron system.
Physica Scripta; T140, 014038/1-8  (2010); arXiv: 0712.3849 [quant-ph]

13. Varró S and Javanainen J; Gauge-invariant relativistic Wigner functions.
Journal of  Optics B: Quantum and Semiclassical Optics; 5, S402-S406 (2003)

14. Dahl J P, Varró S, Wolf A, Schleich W P; Wigner functions of s-waves.
Physical Review; A 75, 052107 (21 pages) (2007)

15. Varró S; Einstein’s fluctuation formula. A historical overview.
Fluctuation and Noise Letters; 6, R11-R46 (2006); arXiv: quant-ph/0611023

16. Varró S; Irreducible decomposition of Gaussian distributions and the spectrum of black-body radiation.
Physica Scripta; 75, 160-169 (2007); arXiv: quant-ph/0610184

17.Varró S; The role of self-coherence in correlations of bosons and fermions in linear counting experiments. Notes on the wave-particle duality;
Fortschritte der Physik; 59, 296-324 (2011); arXiv: 1004.2975v2 [quant-ph]
 

E-mail: Varró Sándor

FEL


Multispektrális ellipszometria

Az ellipszometria – a félvezető ipar egyik legfontosabb optikai vizsgálati eszköze – a polarizált fény beesési-szög függő reflexiós adatait méri, ezért általában párhuzamos, jól meghatározott beesési szögű fénynyalábokkal dolgozik. A korszerű ellipszométerek tipikus fényforrásai a lézerek.

Csoportunkban, az MFA kutatóival közösen, egy alapvetően új, szokatlan ellipszometriai technikát fejlesztettünk ki, mely nagy felületű minták gyors mérésére is alkalmas.

Mi a mintát nem parallel, hanem divergens, majdnem diffúz „kiterjedt nyaláb”-bal világítjuk meg, mely a minta minden mérendő pontjára többféle beesési-szögű fényt juttat egyidejűleg. A méréshez szükséges precíz „szög-szelekció”-t a detektor oldalon végezzük el egy „pihole-„ azaz lyukkamerával. A lyukkamera beesési (pontosabban visszaverődési-) szögszűrőként funkcionál és minden mintapontról csak egyetlen, meghatározott szöggel visszaverődött fényt választ ki. Megoldásunk a képalkotó ellipszometria egy új, szokatlan változataként működik.

Amennyiben több színű kiegészítőkkel látjuk el a berendezést (akár néhány diszkrét pl. lézer, vagy LED hullámhosszat választva, akár folytonos fehér fényű megvilágítással és spektrális bontással) akkor spektrális ellipszometriai adatokat nyerhetünk. Egyes megoldásoknál csak a minta egy (tipikusan vonalszerű) részéről, másoknál akár a teljes, nagy (néhány dm2) mintafelületről is.

Jelen pillanatban nanométer alatti rétegvastagság és 0.01-es törésmutató változás mérésére alkalmas a készülékünk. Mivel a mérési sebességet több nagyságrenddel(!) sikerült megnövelnünk, megoldásunk ipari gyártósorokra is ráépíthető, s akár vákuum, vagy védőgáz alatti mérésekre is alkalmas. Ennek gyakorlati megvalósítása jelenlegi munkánk egyik fő célja.
 
 
Képalkotó multispektrális ellipszométer

Képalkotó multispektrális ellipszométer.

1. HORVÁTH, Zoltán György; JUHÁSZ, György; FRIED, Miklós; MAJOR, Csaba; PETRIK, Péter: Imaging optical device with a pinhole camera Pub. No.: WO/2008/142468; International Application No.: PCT/  HU2008/000058; Publication Date: 27.11.2008; Priority Data: P 0700366  23.05.2007 HU.

2. C. Major, G. Juhasz, Z. Horvath, O. Polgar, M. Fried: Wide angle beam ellipsometry for extremely large samples, Phys. Stat. Sol. C 5  1077-1080 (2008)

3. G. Juhász, Z. Horváth, C. Major, P. Petrik, O. Polgar, M. Fried, Non-collimated beam ellipsometry Phys. Stat. Sol. C 5  1081-1084. (2008)

4. C. Major, G. Juhasz, P. Petrik, Z. Horvath, O. Polgar, M. Fried: Application of wide angle beam spectroscopic ellipsometry for quality control in solar cell productionVacuum 84,  119. (2009)

5. M. Fried, G. Juhász, C. Major, P. Petrik, O. Polgár, Z. Horváth, A. Nutsch: Expanded beam (macro-imaging) ellipsometry  Thin Film Solids, 519, 2730-2736 (2011)

E-mail: Horváth ZOltán György

FEL