HU230587B1 - Rövid periódusú undulátor - Google Patents

Description

A találmány tárgya elektromágneses sugárzás keltésére szolgáló d elve rövid periódusé undulátor, valamint szabadelektron-lézer. Az elvű rövid pertödusö undutáfomak nagyinienzifáaú elektromágneses impulzusok kibocsátására alkalmas impulzusíorrása, valamint elektromosan töltött nagyenergiás részecskenyaláb átvezetésére szolgáló és unduláíorhatást biztosító kölcsönhatási tartománya van. A szabadelektron-lézer elektronforrást és legalább latort tartalmaz

Ismeretes, hogy a változó mágneses terekben (adott esetben nagy, spéciékoherens fénysugárzást bő-

I célokra. A szabadelektron-lézerek ^eíek, vagy biológiai

5) vizsgálatában is igeid lisan relativisztikus sebességgel) haladó e csalhatnak ki. Ezen alapul a szabadelektron-lézerek működése. A szabadelektron lézerek számos területen felhasználhatók, sikerrel alkalmazhatók többek közőt légkörfizikai, kémiai, orvosi és rád lőcs 1 emellett a néhány száz atomból á például mikrogépezefek vagy DNS-molekulák ( retes eszközöket jelentenek.

A különféle szabadelektron-lézerek az elektromágneses (EM) ravörös tartománytól Röntgen tartományig terjedő tetszőleges részén képesek in tenzlv lézersugárzás előállítására. Ezen berendezések két lényege;

nak: elektrongyorsltőból és undulátorból. Az elektrongyorsitővsl 1 nC dö elektromos töltéssel bíró elektroncsomagokat állítanak elő. Emellett a tekintett hogy energiájuk a 0,617 MeV nagyságú nyugalmi energiájukkal szemben föbt bteV vagy akár több GeV. Egy hagyományos undulaior olyan, elektromágnesekbe vagy permanens mágnesekből kialakított eszköz, amelyben észak-dél és dél-

un < egymás után váltakozó orientációval jgy, hogy az egyes párok déli pólusai között néhány mm méretű rés van. Az elektóval előállított és az unduláterban a mágnespóluspárok között elhaladó elektronok a távolsággal változó mágneses tér hatására hullámzó melynek következtében EM sugárzást bocsátanak ki; ez az: ás. A kit ‘7

lesi térbeli periódusával (továbbiakban „unduiátorperiódus’j és mágneseket tartalmazó undulátor unduláfor2 cm nagyságó lehet, jellemzően 3 cm. Emiatt a látható fény 5 tartománya rövid hullámhosszú szélének megfelelő 400 nm hullámhosszú sugárzás előállításához 100 MeV-nál nagyobb energiájú elektronokra van szükség.. Á biológiai alkotók (sejtrészek) nagy térbeli feloidású képalkotására használható 1 nm~es hullámhossz előállításához pedig már több GeV nagyságú el< szükséges. Ugyanakkor minél nagyobb energiára keli az .0 ni, annál nagyobb és költségesebb elektrongyorsitóra van szí legrövidebb hohámhosszú szabadelektron-lézerhez használt elektrongyorsitő 20 GeV energiájú elektronokat állít elő. Ezen 20 GeV energiájú gyorsító több km iközelíti az egymihiárd dollárt. Éppen ezért erős törekvés olyan megoldást találni, amely kívánt ezer-hullámhossz mellett minél kisebb elektronenergiát Igényel, ami egyben kisebb lineáris kiterjedésű elektrongyorsitő használatát is jelenti.

Mágnes-undulátor helyett mikrohullámú hullámvezetőben létrehozott mikrohullámú állóhullámokon alapuló undulátort Ismertet T, Shintake, K. Huke, d. Tanaka, 1. Sato, 1. Kumabe szerzők Deve/opraenf of .őbcrovvave Ündylator című jt Japan J. Appi. Fhys. 22, 844-851 (1984)] publikációja. Ezen megoldásnál az állóhullámot egy mikrohullámú rezonátorban hozzák létre. Az állóhullámot alkotó hullámok az undulátorban az elektronok haladási irányával megegyező, illetve azzal ellentétes irányban terjednek. Az alkalmazott, viszonylag alacsony, 2,3 GHz-es frekvencia miatt az undulátorperlódus 5,5 cm. Az undulátorpehódus csökkentése jó és emiatt nagyobb teljesítményű mikrohullámú generátor állja meg. ilyen paraméterekkel (380 GHz, 3 GW) rendelkező generátorok mindazonáltal nem állnak rendelkezésre, így ezen megoldás többek között ezért sem terjedhetett el

Nagyszámú publikációban, Így például J. Gea-Banacloche, G. T. Moore, R. R. Schlicher, Μ. O. Souliy, H. Walther szerzők SoftX~ray áee-e/ecfron teer mfo a /aser ondu/ator címmel megjelent (1. IEEE J-QE 23, 1558-1570 (1987)) köziemévizsgálták annak lehetőségét, hogy nagyintenzrtású, elektronokká

··' a szemben (azaz longitudinális elrendezésben) haladó lézerfényt használjanak undulátorkénl Egy, az elektronokkal szemben haladó lézernyaláb akkor lehet minimális méretű és legkisebb divergencláju, ha keresztirányé intenzitáseloszlása Gaass-görbe szerint változik (vagyis a lézernyaláb egy Gauss nyaláb), Az Ilyen el5 vű undulátorokban szükséges néhányszor tíz mikrométer minimális nyalábméret esetén azonban néhány mrn-es terjedés során a Gauss nyaláb mérete számottevően megváltozik. Emiatt a kölcsönhatási hossz nagyon rövid, ami a (szabadelektron) lézerműködést lehetetlenné teszi. Ráadásul a nyalábmérettel változó intenzitás mialt az elektronok által kibocsátott EM sugárzás hullámhossza is változik, í 0 Emellett a fókusz közelében változik az undulátorhatást biztosító lézer effektiv hullámhossza (Gouy-féie fáziscsúszás), ami szintén a kibocsátott Ek-i sugárzás hullámhosszának változását eredményezi Mindezen nehézségék következményeként a tekintett tudományos publikációban elméletileg tárgyalt undulátor, illetve az ilyet tartalmazó szabadelektron-lézer a gyakorlatban megvalosithatatlannak bizo15 nyúlt

Az US-5,892,810 sz. USA-bell szabadalom egy további, ugyancsak longitudinális elrendezést ismertet relafivisztikus elektronok sugárzás kibocsátása céljá20

A longitudinális gerjesztési e re transzverzális elrendezésekkel próbálkoztak, amei nem eg eseáb és hanem egy-

másra merőlegesen vagy közel merőlegesen haladnak, T. Rlettner és R. L. Byer szerzők Propoeed ólélocáfc-óaseá mlómsbvcÉure /aeee-dnven ondáferfor című közleményé fL Phys. Rév. Spec. Top. - Acceierators and Beams TI. 030704 (20Ö8)í olyan elméleti megoldást javasol, amelynél az elektronnyaláb két, egymástél adott távolságra párhuzamosan elhelyezett dielektrikum rács között halad. Az undulátorhatást a rácsokra és az elektronok haladási irányára merőlegesen haladó lézernyaláb váltja ki. A szerzők 1 mikrométer hullámhosszé lézernyalábot vesznek alapul, Mivel a két dielektrikum rács egymástól mért távolságának a lézer hullámhossza negyedévei kell megegyeznie, ami jelen esetben 258 nm lenne, azonban egy megfelelő nagyságú elektromos töltéssel rendelkező elekfroncsomag átmérője több mikrométer (jellemzően több fiz mikrométer), a cikkben bemutatott megoldás a gyakorlatban nem megvalósítható, hiszen az elektroncsomag a tekintett dielektrikum: rácsok kozott egyszerűen nem tód áthaladni.

esetében az undulátorhatást ionizálható anyagból létrehozott plazma tértöltése 5 révén biztos ittá k.

lyen megoldást tárgyal például az 118-5,822,342 sz. USA-beli szabadalom vagy a 4P 2001-118898 sz. japán közzétételi irat. Az undulációt kiváltó, részben transzverzális, részben longitudinális elektromos teret egymással interferáló lézernyalábok segítségével állítják elő közvetett módon; fémgőz rezonáns ionizációja révén periodikus plazmastruktúrát keltenek, az undulátorhatást az interferenciaképnek megfelelő térbeli eloszlással ionizál tértöltése által keltett elektrosztatikus mező (egészen zális komponense) szolgáltatja, A tekintett plazmáéivá annak transzveríűi, hogy az ilyen elvű unduiatörokban az

k, amr yásoihatja tulajdonságaikat, A plazmáéivá megoldások további hátránya, hogy esetükben az unduláoió kikényszerítésében csupán a kialakuló elektromos mező transzverzális komponense lesz hatásos, ami igen kicsi,

A. D, Dehus, M Sussmann, M. Slehold, A, docbmann, ü, Schramm, T. E. Cowan és R, Sauerhrey szerzők Trave//ng-vvave Thomson seadedng and opferi 20 undu/atórs tor b/gh~yfe/d E W and X~.ray souroes című tudományos közleménye (I.

Appl, Phys. B 100, 61-78 (2010)] egy másik, ugyancsak elméleti transzverzális elrendezést mutat be. Ezen megoldás esetében a lézernyaláb az eiekfronosomag haladási irányával φ szöget bezáró irányban terjed, és döntött impulzusfrontú gerjesztést használva kívánják biztosítani, hogy a lézer és az elekíronnyaláb a d. 25 Gea· Banacloche és mások álfel bemutatott eljárásokban tapasztaltnál lényegesen hosszabb távolságon hasson egymással kölcsön, A szerzők azonban tévesen határozták meg a kibocsátott elektromágneses sugárzás irányát, igy a tekintett tudományos közleményben feltárt kitanitás alapján a bemutatott elrendezés gyakorlati felhasználásra/megvalósifásra nem alkalmas, hiszen az elöá jed, és ilyen módon az elek nem az elektrc nem alakul ki mikroesomósodás sem, igy a kisugárzott EM

... 3...

zás nem tesz koherens és intenzív, ami a (szabadelektron) tezerműkodéshez e

A WO 2010/13924 A1 sz. nemzetközi közzétételt irat, amely jelen inthető, egy szs

-lezer í irányban tenedö reíativlsztikus eiektroncsomag előállítására szolgáló eljá kőlcsö undulálö tér lé' test valamint a relátívisztikus ei ra szolgáló eszközt tárgyal, A szóban forgó szabadelektron-lézer rendszerben az

iáló teret két, egymástól és az rányban terjedő lézernyaláb egyesítése eredményezi.

mindegyike rendelkezik egy olyan komponenssel, amely az el* dási irányára merőleges síkban zérustól különböző nagyságé. A két lézernyaláb egyesítése kölcsönhatási tartományban történik, ahol interferenoíaosíkok alkotta interterenciamintázat keletkezik - az undulálo teret ezen interterenciamintázat biztosítja. Az elektroncsomag a kölcsönhatási tartományon, azaz magán az Iníerfe15 renclamintázaton keresztül terjed. A kölcsönhatási tartományt egy viszonylag széles tértartomány képezi, amely a lézernyalábok intertérenciájakénf keletkező interferenciamintázat több maximumát és minimumát foglalja magában, amint az a í irat 1.

el is látható, ennélfogva a rét ronok csomagja egy olyan tértartományon halad át, melyben az el térerősség erősen változik. Ilyen módon a csomag egyes elektronjai a fást tartományon való áthaladásuk során lokálisan eltérő elektromágneses terekkel hatnak kölcsön, vagyis az inlerferálő lézernyalábok fotonjait szórják, aminek eredményeként egy rövid hullámhosszú, azonban erősen Inkoherens kimenő sugárzás keletkezik. Az alkalmazott lézernyalábok hullámhossza vagy a közeli infra25 vörös tartományba (nagyjából a 300-375 THz-nek megfelelő frekvenciatartományba), vagy a közepes infravörös tartományba (nagyjából a 3Ö-3GÖ THz-nek megfelelő frekvenciatartományba) esik.

a jelen elvű rövid periódusé undul álló nem plazmaelvö célunk olyan, egyszerű megvalósítása, amely a ílí perit

periódussal rendelkezik. A találmánnyal célunk továbbá olyan optikai elvű unduláfor megvalósítása is, amely a napjainkban elméletileg javasolt, lézeren ala30 pulö unduláforokban elérhető kölcsönhatási hosszhoz képest megnövelt kölcsön hatás! hosszt biztosit. A találmánnyal emellett további célunk még olyan optikai el vü undulátor létrehozása is, amely rövid hullámhosszú és nagy intenzitásé, továb d sugárzás elöál az Ismert megoldásokhoz találmánnyal emellett toís, amely a elektronnyaláb ásóval képes EM suki lé el vabfei célunk: meg olyan sz ismert szabadelektron-lézerekhez kisebb lineáris nagy intenzitásé és rövid hu gárzás előálütására. A találmánnyal emellett további célunk még nagy intenzitású és rövid hullámhosszé, adott esetben koherens EM sugárzás keltésére szolgáld

Vizsgálatalnk során arra a következtetésre jutottunk, hogy nagy intenzitású ineses ír olyan állóhullámok költhetők, amelyek eredő elektromos terébe alkalmas módon elektáb el az ronnyalábot juttatva és abban továbbítva, a tekintett e elektronnyalábban jelentkező mlkrocsomósodás mértékétől függő koherenciafokú EM sugárzást bocsátanak ki. Speciálisan, az egymással lényegében szemben beadó THz-es impulzusok ir előállított EM állóhullám elektromos erősségének maximumhelyei által meghatározott síkban, illetve annak keiében haladó nagyenergiás {relafiviszfikus sebességű) elektronok az időben váltakozó elektromos térerősség hatására hullámzó mozgásra kényszerülnek. Az így mozgó elektronok haladásuk irányában az alkalmazott THz-es impulzusok frekvenciájánál lényegesen nagyobb frekvenciájú EM sugárzást bocsátanak ki: a léfre25 jőve Sugárzás néhányszor fiz MeV-tÖl száz Me v-ig tenedo el ák esetén az EM spektrum ultraibolya (UV), vákuum-ultraibolya (VUV), extrém ultraibolya (XUV) vagy Röntgen tartományába esik, míg ennél magasabb éli energiák esetén igen kemény Röntgen sugárzás nyerhető. Itt és a megí

az „elektromos térerősség maximumneiyeí s megjelölés alatt előnyösen a tekintett síkra centráit azon az elektromos térerősség a tekintett síkon felvett maximális értékétől

10%-kal, ennél előnyösebben legfeljebb 5%-kal tér el. Ezen feltételek a maxist) .10 mumhely körül előnyösen egy ±0,0? hullámhossznak megfelelő D szélességű, ennél előnyösebben pedig egy ±0,05 hullámhossznak megfelelő D szélességű terhsen.

λ=

-es impulzushulíárahossz esetén ez előnyösen egy 70 mikrométer, ennél előnyösebben pedig: egy 50 mikrométer 0 szélességű tartományt jelent az elektromos térerősség maximumhelyei által kijelölt síkra merőleges irányban (transzverzálisán) és a tekintett síkra centralt

A nagy Intenzitású és rövid hullámhosszú EM sugárzás létrehozására Irányuló célkitűzést az 1. Igénypont szerinti eljárás kidolgozásával értük el. A tekintett eljárás előnyös példaként! kiviteli alakjait a 2-14 igénypontok határozzák meg. Az optikai elvű undulátor megvalósítására irányuló fenti célkitűzést a 15. igénypont szerinti undulátor létrehozásával értök el, A találmány szerinti undulátor előnyös példaként! kiviteli alakjait a 16-18. Igénypontok határozzák meg, A szabadelektronlézer megvalósítására irányuló célkitűzést a 19. Igénypont szerinti szabadelektronlézer kidolgozásával értük el.

A találmány szerinti megoldás a szokásos, mágneseket alkalmazó undulátorokhoz képest közel százszor rővldehb unduiátorpenődus elérését teszi lehetővé, Ez azt jelenti, hogy egy Ilyen undulátorral megvalósított, adott (rövid) hullámhosszú szabadelektron-lézer működéséhez tízszer kisebb energiájú elektroncső20 mag már megfelelő, ami kisebb és olcsóbb elektrongyorsltőval előállítható. A találmány szerinti undulátor gyakorlati alkalmazása az elektronnyaláb paramétereire (úgymint transzverzális emisszió és energia monokromatikusság) nézve a fentiekben tárgyalt lézeres undulátorok alkalmazásánál enyhébb és így a gyakorlatban is megvalósítható követelményeket támaszt, amint azt például R. Bonifacto, N.

Piovella, Μ M. Cola és L Volpe szerzők Expertmente/ rsgraramento tor X-my compacf toee efecttoo foséra wito a toser mggfef című |. Muci. Instr. Meth, Phys. Rés. A 577, 745-750 (2007)1 munkájának <18) és (21) egyenletei mutatják, melyeket a jelen kitanitás részének tekintünk. A transzverzális elrendezés miatt a lézerés felhasználható koherens, illetve a monyé a na sn említett öouy-téle fázlstolódás hatásának kiküszöhöa találmány fentiekben bemutatott alapelvé (vagy nem

-,Ί sugárzás előállítására is Az a Thomson s lektron-fézer

A találmányt a továbbiakban néhány előnyös példaként! kiviteli alakján keresztül, a csatolt rajzra hivatkozással ismertetjük részletesen. A rajzon I elvű rövid az 1. ábra a találmány szerint! op lator ebi vázlata:

egy olyan kivitek a sm vaziata, ame ben az EM állóhullámot létrehozó THz-es impulzusok keltése különálló, azonban

- a 3. ábra az undulátorhatást biztosító állóhullámot létrehozó THz-es i elektromos térerősségeinek találmány szerinti terahertzes undulátorbeii

~ á 4. ábra az undulátorhatást biztosító állóhullámot létrehozó THz-es 15 elektromos térerősségének találmány szerinti terahertzes undulátorbeii helyfüggését mutatja a fázisfronthoz képest döntött mtenzitásfrontu THz-es impulzusok alslmazása esetében:

az S. ábra az elektronnyaláb és az állóhullám kölcsönhatási tartományát, illetve tyezetét mutatja egy olyan lehetséges további kiviteli al 20 ahol az undulátor teljes kölcsönhatási hossza <y több részunduiátor rövídébb L2,Ln) kölcsönhatási hossza összességeként kerül megvalósításra:

-a 6. ábra a találmány szerinti undulátor egy lehetséges olyan tovább! példaként! kiviteli alakját ábrázolja, amelynél az undulátor teljes Lu geometriai hossza csökkenthető az 5. ábrán bemutatott elrendezéshez képest azáltal, hogy az egyes torok a z tengely körűt egymáshoz képest kis szögben e a ?A ábra azt: mutatja, hogy az előállítani szándékozott EM sugárzás hullám milyen energiájú elektronnyalábra van szükség adott undu es mellett; mn a 7B ábra az erősítési hossz változás sugárzás hullámhossza függvényében 0,8 THz az előállítani szándékozott E ló és 10 MV/cm csúcs sító (azaz két impulzust feltételezve impulzusonként

5-5 MV/cm maximális elektromos térerősségei) THz-es impulzusok alkalmazása

Az 1. ábra optikai elvű, terahertzes rövid periódusa 15 undulátort szemléltet vázlatosan. A terahertzes 10 unduiáfor rajzon külön nem ábrázolt nagyenergiás 5 elektronforrásból származó 5 elektroncsomag elektronjait transzverzális (az 1. ábrán feltüntetett (x.y.zj-koordinátarendszerben x irányú, azaz az ábra síkjára merőleges irányé) oszcillációra vagy hullámzó mozgásra, és Igy rövid hullámhosszú zon nem serit* azáltal, hogy az pályájának egy része mentén váltakozó irányú elektromos térid erősséget biztosit. Ebhez a terahertzes 10 unduiáfor a THz frekvenoiafartományban emitfáló nagyintenzitású 2 lmpulzusforrást tartalmaz, amely THz frekvenciájú, egy vagy több optikai ciklust tartalmazó Elvi 7 impulzust állít elő. A THz~es 7 impulzus 3 nyalábosztőn áthaladva 7a, 7b Impulzusok formájában bálad tovább. A

7a, 7b i ául fé et mtett k (vitelt iódva jelen esetben a -y és ~y irányokban egymással szemben (vagy közel szemben).. azaz haladási irányuk tekintetében lényegében 18ö°-os szöget bezarón haladnak, és interferenciájuk eredményeként az 5 elektroncsomag z tengely menti tében, azaz egy űn. kölcsön nem *>»/ silóba Hámot hoznak létre. Megjegyezzt a 7a, 7b impulzusok egymással 180°-tól eltérő nagyságú szöget bezáró irányokban terjednek, az előállított sugárzás hullámhossza 1/(1-coso) szerint megnövekszik, ahol a a 7a és a 7b impulzusok haladási iránya egymással bezárt szögének a tele. Emiatt előnyösen egymással lényegében szemben haladó, vagyis terjedési irányukat tekintve egymással kb. I80^c'-os szöget bezáró impulzusokat használunk az állóhullám létrehozására,

A tekintett optikai elemek a 7 a, 7b impulzusok kívánt terelésén túl szükség esetén, például a 7a, 7b impulzusok elektromos térerősségei növelése érdekében azok megfelélő leképezését is végrehajtják. Az igy kapott állóhullámban az elektromos térerősség x irányú, továbbá az állóhullám egyik duzzadóhelye (a z lengecélszerűen az 5 el áthaladási helyére esik; az 5 elektroncső mag az állóhullám duzzadóhelyei, azaz az állóhullám elektromos téi maximumhelyei által meghatározott síkban vagy annak környezetében halad el. Ezen utóbbi feltétel az 5 eléktroncsomag és a létrehozott állóhullám egymáshoz helyzete finomhangolásával érhető el, például a 7a_: 7b impulzusok viszonyított megfelelő késleltetésével. A tekintett késleltetés például ajzon külön nem ábrázolt} optikai késleltető elem{ek)nek a 7a, 7b terjedési útjába történő beiktatásával valósítható meg. amint, az az optika területén járatos szakember számára nyilvánvaló. A 7Hz-es 2 mpulzusforrás Intenzitása elegendően nagy ahhoz., hogy az Időben váltakozó elektromos tér maximális térerőssége a z tengely egy megfelelő (célszerűen 10-30 cm) hosszúságú: elérje a működéshez szükséges (célszerűen 1-

Az állóhullámot létrehozó THz-es impulzusokat különálló, ám egymással tizálva működtetett 2 Impulzusforrásokkai ugyancsak előállíthatjuk. Egy ilyen elrendezést mutat a 2. ábra, amely egy terabertzes 10' undulátor elvi rajza. Á falélmény szerinti, optikai elvű rövid periódusa undulátor ilyen típusú kiviteli alakjainál nyaláböszfó(k)ra nincsen szükség. A két vagy több különálló THz-es 2 Impulzusforrás szinkronizálását például: az azokat meghajtó lézerrendszerek szinkronljól ismert elg

- amint az a területen járatos szakember számára nyilvánvaló - közös oszcillátor alkalmazásával.

A találmány szerinti 10, t ö‘ unduláforok egy-egy további előnyös példaként! kiviteli alakiénál az 5 el· g és a 7a, 7b impulzusok int előállított állóhullám (vagyis a térben lokalizált és időben váltakozó elektromos térerősségű tér) kölcsönhatási hosszának növelése érdekében a nagyintenzitású THz-es 2 impulzusforrásssl/impuízusforrásekkal előállított 7, illetve 7a_t 7b impulaz alábbiakban részletesen ismertetésre kerülő

képest megdöntjük. Ennek eléréséhez arra terjedési útjában rendezünk el, célszerűen az említett 4a, megelőzően.

ás felbr rövid hullámhosszú (ÜV, VUV, XüV történő létrehozására. Ilyen fel· használása esetén, a hagyó mányos mágnes-undu latorok használatához képest lényegesen kisebb energiájú elektronnyaláb alkalmazható. így lényegesen kisebb (lineáris} méretű és ölesebb elektrengyorsltóra van szükség. Emellett a találmány szerinti THz-es undulátor ~ a lézeres undulátorokkal összehasonlítva - az elekt5 ronnyaláb paraméterei tekintetében ugyancsak enyhébb követelményeket támaszt. Emiatt a találmány szerinti THz-es undulátort napjainkban létező élokfrongycrsltókkai kombinálva szabadelektron-lézer alakítható ki. Ugyanez Ismeri lézeres undulátorok használatával az elektronnyaláb esetükben szükséges paraméterei miatt nem érhető el. A találmány szerinti rövid periódusa undulátorokban meglő valósított transzverzális vagy közei transzverzális gerjesztés a gerjesztő THz-es impulzusok interferenciájával nyert EM állóhullám és az eisktroncsomag között a longitudinális elrendezésben (ahol az elektroncsomag és a gerjesztőímpulzus egymással szemben haladnak) elérhető kölcsönhatási hossznál lényegesen nagyobb kölcsönhatási hossz elérését teszi lehetővé.

1.5 A találmányi megoldás Thomson szóráson alapuló rövid hullámhosszú (UV, vuv,

Iható. Egy ilyen alkalmazásban előnyös, míg szabadelektron-lézerben történő félhasználás esetén szükséges, a talál szerinti THz-es

r.-es impulzusok jának eredményeként nyert Ebi állóbullám elektromos térerősségének csúcsértéke , ennél elonyöΗ) rthaiadass helyén elege a ölg a legalább 10 MV/'cm értékét. Ez például a H. Hirori, Á. Doí, F. és K. Ta na ka szerzők S/ng/e-cyc/e fer&hertz pufees wttft amptedes exoeedfng f TÍVEcrn generafed öy opdoa/ reodácadon ár L/MÖÖ3 című [I. Appt Phys, Lett. 98, Ö9T106 (2011)1 közleményében bemutatod módszerrel valósítható meg, amit a jelen kitanítás részének tekintünk A LINbös kristályban ultrarövid lézerímpulzusokból optikai egyeníranyllással előállított intenzív THz-es impulzusok lefókuszálása a főkuszsik környezetében 1 MV/om-t meghaladó nagyságú elektA 3. ábra a THz-es 7a, 7b impulzusok fékoszsíIgának környezetét, valamint a 7a, 7b impulzusok ir űalakult állóhullám: és az δ elektroncsomag kölcsönhatási tartományát mutatja sematikusan. A kívánt sugárzási bullámhossztól és a kit kölcsönhatási a szükséges minimális

-ι:

térerősség: akár több 10 MV/cro is tehet, a fentiek szerint előnyösen legalább 1 MV/cro. Ilyen nagy elektromos térerősségü THz-es impulzusok csak nagyon rövk célszerűen néhány ps és néhányszor tíz ps közé eső hosszúságú időtartamban á

A THz-es 7a, 7b impulzusok és az 5 elekfroncsomag közötti tekintett kő csönhatásl hosszt néhány ps Időtartamú: impulzusok esetén jelentősen megnőve tjük, ha a THz-es 7a_t 7b impulzusok intenzitásfrontjáf a fázi döntjük, amint azt a 4, ábra mutatja. Ezt a már említett 8 optikai: elem (I. 1. ábra) 7a, 7b impulzusok útjába történő beiktatásával érhetjük el; a 0 optikai elemet egy, a rajta áfhatedó THz-es impulzusok intenzltásfrontlának azok íázisfrontiához viszonyitott dőlését kiváltó tu etem lése bél rács, vagy rács es

1. Az Impulzusfront döníióia alkalmazásával érhető el. Ennek megfelelően a 8 optikai etemet előnyösen optikai rács ΐ ráccsal kombinált leképezőrendszer formájában biztosítjuk, impulzusfront ő elrendezés tervezését tárgyalja például d. Á, Fölöp, 1... Páifalvi, G, Álmáéi és Á Hebllng szerzők Des/gn of h/gh-energy tecahedz scwces őasedoo opf/ca/recáfeaáon című [l· öptics Express 18, 12311-12327 (2010)) dolgozata, melyet szintén a jelen kifanitás részének: tekintünk

A döntött infenzifásfronttal rendelkező THz-es 7 impulzusok a 3 nyalábosz20 tón áthaladva és a fókuszáló tükrök formájában megvalósított 4a, 4b optikai elemeken reflektálódva a +y és -y irányokban egymással szemben (vagy közel szemben) haladva az 5 elektroncsomag z tengely menti áthaladási helyének kör tetőben EM állóhullámot hoznak létre úgy, hogy az δ elektroncsomag áthalare az állóhullám elektromos térerősségének egyik maximumhelye, ekinteff) duzzadőheiye által meghatározott síkba vagy aneslk. A THz-es impulzusok Intenzltásfrontjának megdöntésével y a THz-es impulzusok intenzitása egy z tengely menti kiválasztott akkor legyen maximális, amikor az etektroncsomag a z tengely mén25

>z nem transzverzális g;

szerinti THz-es, rövid: csupán azt vettük észre megvalojgy THz frekvenciájú impulzusokkal dele térbeli periódusa unduláfor hoz30

Βható létre, hanem azt Is, hogy a szükséges legalább 1 IW/cm, előnyösen legalább 10 MV/cm eredő maximális térerősséget biztosító THz-es Impulzusok a gyakorlatban előállíthatok. Nagy optikai nemlineáris együtthatója és magas roncsolási küszöbe miatt a UN0O3 kristály (i ta! ΙοΊΟ ί 5 tlmál

I} az egyik legmegfelelőbb nemhneans ágú dielektrikum nagyenergiájú és nagy térerősségéi THz-es impulzusok előállítására, H, Hirori, A, Dől, F. Blanohard és K, Tanaka szerzők már Idézett közleményükben 1 Mv?cm térerősségéi THz-es impulzusok LN-beli ultrarövid lézerimpulzusokká! történő előállításáról számolnak be. A u. A. Fülöp, L Fálíafvi, M C. Hofbnann és d. Hebling szerzők Töiwds genensbon of md-/eve/ ü&mshort THz pofees őy opf/ca/ reof/ácaf/on címmel megjelent {L Öptics Express TS, 15ÖSÖ15097 (2Ö11)] közleményében bemutatott számítások szerint az L Pálfalvr, d. A. Fülöp, G, Almás! és d. Hebling szerzők A/ove/ sefups fór exbome/y fágfi power smgte-cyofe Zemőedz pu/s© geoerabőn öy opbea/ recbádabon című [I. Appl. Fbys, $)j közleményében tárgyalt kontaktrácsos elrendezés és opfs) időtartamú lézerimpulzusok segítségével akár 100 IW/cm térizusok is előállíthatok, például a szóban forgó ultrarövid lézerimpulzusokból különbségi frekvenclakeltés útján vagy a tekintett ultrarövid lézerimpulzusok optikai egyenirányltásávai. A kontaktrácsos elrendezést ezen utóbbi közlemény 4, ábrája szemlélted, melyet a jelen bejelentés kitanítása részének tekintünk, A találmány szerinti rövid pedődusű unduiátor létrehozáséhoz szükséges THz-es impulzusok nemlineáris optikai tulajdonságú félvezető (például

A találmány szerinti, optikai elvű rövid pedódusű unduiátor egyik előnyös, 1. ábrán vázolt összeállítás szerinti kiviteli alakjánál a THz-es 2 impulzusforrással 0,6 25 THz frekvenciájú és 5 ps Időtartamú 7 impulzusokat állítunk elő. Ezeket a THz-es 7 Impulzusokat a 3 nyalábosztóvaí kettéosztjuk. Az így keletkezett és a fókuszáló tükrök formájában kialakított 4a, 4b optikai elemek segítségével egymással célszerűen szembe irányított THz-es 7a, 7b impulzusok Intenzitásfrontjal a 7a, 7b impulzusok fázisfrontjaihoz képest előnyösen 45®-os szögben meg vannak döntve, továbbá a 7a, 7b impulzusok Interferenciája útién nyert állóhullám elektromos térerősségének maximális értéke közel 10 MV/cm. Elektronforrással olyan 5 eiektroncsomagof állítunk elő, amelynek töltése 0,42 nC, időtartama 20 fs, a benne lé30 όνο elektronok energiája 91 MéV. Az 5 efektroncsomagot a 10 undulátorba vezetve az elektronok a THz-es 10 undulátor hatására 4 nm hullámhosszúságú EM hullámé! (azaz Röntgen sugárzást) bocsátanak ki. Ezen EM hullám az 5 elektroncsomagnak a 10 undulátor tengelye (például a 4. ábrán feltüntetett z tengely) mentén történő haladása során erősödik, Az. erősítési hossz (vagyis azon hossz, amelyen a sugárzás Intenzitása éppen a-szeresére nő; ahol e az Euler-féle szám) 12. mm. Amennyiben a 10 undulátor geometriai hossza eléri az erősítési hossz előnyösen hat-tízszeresét, a sugárzás telítődik. ami hatékony sugárzáskeltést jelent Ilyen

7Ü-12Ö mm) hosszúságé ferahertzes 10 undulátor óéinak megfelelő mü~ a THz-es 2 impulzesforrássai mintegy 120-190 md energiájú THz-es

zése) miatt egy olyan ferahertzes unduláíort, amely mintegy 10 cm-es kölcsönhatási hosszal rendelkezik, már célszerűtöbb (pl, n darab) részre felosztva megváló15 sítan L Az 8. ábra egy ilyen 20 undulátor elvi rajzát mutatja. Az o db részundulátor

L1, 1.2, ..., Ln kölcsönhatási hosszai L ~ L1-H_2+...+Ln összegének kell elérnie a szükséges (a példában mintegy 10 cm nagyságú) undulátor kölcsönhatási hosszt. A részunduiátörok működtetéséhez szükséges THz-es ?a, ?b impulzusok a fenti20 ekben ismertetett módon, például nyaláöosztők segítségével nyerhetők egyetlen vagy több különálló, azonban egymással szinkronizált THz-es impuízusferráshól A THz-es impulzusok fokuszálása miatt, az ő. ábrán látható módon, az undulátor eredő Lu geometriai hossza lényegesen nagyobb a 20 undulátor L kölcsönhatási hosszánál, E két hossz Lu/L arányának csökkentése, vagyis rövidebb Lu geometriai hossz érhető el a 8. ábrán vázlatosan szemléltetett 30 undulátor esetében, ahol az egyes részunduiátorokat az 8 elektronmag haladási Iránya, mint tengely körül (vagyis a z tengely körül) egymáshoz képest kis (előnyösen legfeljebb 30°os) szögben elforgatjuk, Így a kölcsönhatási tartományok egymáshoz közelebb kerülhetnek. Ezen elrendezéssel, továbbá a területen járatos szakember által ismert relő tükrök) alkalmazásával az Lu/L arány célszerűen Ötnél kisebb értékűre csökkenthető.

A találmány szerinti THz-es undulátor egyik előnyét jói mutatja, hogy 4 nm-es Röntgen sugárzást hagyományos, mágnes-undulátor találásával kívánunk létrehozni, akkor ahhoz (25 mm nagyságú undülátorperiódust feltételezve) a találmány szerinti (Lu~5x10~) 50 cm hosszúságú undulátor helyett egy 3 m hosszú undulátorra lenne szükség. Ennél lét nagyobb hátrányt jelent azonban az, ál álló el

dektroncsomagokat kellene elóáliltani és a mágnes-undulátorba bevezetni. Ezek előállítása azonban csak lényegesen nagyobb fizikai (lineáris) kiterjedésű és bekerülési (illetve üzemeltetési) költségű eiektrongyorsilőval lehetséges.

Amennyiben a találmány szerinti optikai elvű rövid periődusú undolátort 20 nm hullámhosszá EUV elektromágneses hullám előállítására kívánjuk használni, az elektroncsomag elektronjainak energiája csupán 40 MeV kell légyen, ilyen elektronok előállításához mindössze néhány méter hosszú (asztali) elektrc tóra van szükség. Továbbmenve, a használni kívánt találmány szerinti, csupán' '

indulátor kölcsönhatás! hosszának csupán kp. öü mm-t, a impulzusok energiájának pedig mindössze kb, 100 md-t kell elérnie.

Rögzített ierahertzes frekvencia és térerősség esetén az elektroncsomag energiájának változtatásával az előállított EM sugárzás (pk a találmány szerinti 20 undulátor felhasználásával megvalósítható szabadelektron-lézer által lézersugárzás) hullámhossza széles ta rák azt mutatják, hogy az előállítani lyen energiájú elektronnyalábra van szükség, illetve mekkora az erősítési hossz 0,6 THz frekvenciájú és 10 .teV/cm csúcs elektromos térerősségü állóhullámot lét25 rehozó THz-es Impulzusok alkalmazása esetén.

Amint az a területen járatos szakember számára a- fentiek fényében nyilvánvaló, a találmány szerinti terahertzes, optikai elvű rövid perlóduső undulátor nem csak szabadelektron-lézerben használható koherens EM sugárzás létrehozá-

Claims (5)

1 Eljárás e nagylntenzdású elektromágneses impulzusokat az impulzusok (7; 7a, 7b) egymással való I revén el állóhullámot állítunk elő, ahol az állóhullám meghatározott csúcsértékkel jellemzett elektromos térerősséggel rendelkezik;

a reszem állóhullám időben változó elitahot az er neses terén átvezetjük, miközben

10 ~ a részecskenyalábot az állóhullám elektromágneses terével egy hullámzó befutására kényszerítve a részecskenyaláb által kibocsátott sugárzás formájál

- a nagyintenzitásü elektromágneses impulzusokat (7; 7a, 7 b) terahertz frekven15 ciatartományba eső frekvenciával keltjük; és ~ az élt elektromos térerősségö t az eieat ám maximális

1 által kifeszltetí síkot tartalmazó azon térrészen vezetjük át, melyben az elektromos térerősség nagysága a síkon felvett maximális

20

2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az et iőhuílámot terjedési irányukat tekintve egymással lényegében terahertzes Impulzusok (7a, 7b) interferenciájával állítjuk elő.

lagneses ál

3. A 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az impulzusokat (7a, 7b) nagymtenzitású Impulzusforrással (2) előállított terahertzes impulzus (7) áiiifiuk elő.

4. A 2. Igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az impulzusokat (7a, 7b) legalább két különálló, egymással szinkronizáltan működtetett ímpulzusferrással (2) állítjuk elő.

.... π5, Az 1-4. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a terahertz frekvenciatartományba eső nagyíntenzitású impulzusok (7; 7a, 7b) előállítását kontaktrácsos elrendezéssel végezzük.

6. Az 1-4, igénypontok bármelyike szeneit eljárás, ezzel jellemezve, hogy a 5 terahertz frekvenciatartományba eső nagyíntenzitású impulzusokat (7; 7a, 7b) ultrarövid lézerimpulzusokból különbségi frekvenclakeltésse! vagy ultrarövid lézerimpulzusok optikai egyenirányitásával áilitjuk elő.

7. A 8. Igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a terahertz frekvenciatartományba eső nagyihtenzitású impulzusok (7; 7a, 7b) előállítását nemlineáris optikai tulajdonságú dielektrikum vaqy félvezető kristályban végezzük.

8. Az 1-7. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a terahertz frekvenciatartományba eső nagy-intenzitású impulzusokat (7: 7a, 7b) egy vagy több optikai ciklust tartalmazón állítjuk elő.

9. Az 1-8. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a 15 terahertz frekvenciatartományba eső nagyintenzitású impulzusokat (7; 7a, 7b) fázisfrontjukhoz képest megdöntött intenzitásfronttai biztosítjuk.

10. Az 1-9. t jiatártomanyba eső nag ferenciájával a részecskenyaláb haladási irá re szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy (7; 7a, 7b) intereiekfío-

20 mágneses állóhullámot állítunk elő és a rés lóhullámok maximális elektromos t az így nyert e pontjai által kifeszltett síkokban

I állóhullámon egymás után átvezetve keltjük gneses súg

11. A 10. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az egyes állóhullámo25 kát a részecskenyaláb haladást Iránya, mint tengely körül egymáshoz képest elforgatva hozzuk létre.

12. Az 1-11 igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a terahertz frekvenciatartományba eső nagyíntenzitású impulzusok (7; 7a, 7b) faterférenoiájávaf legalább 1 IW/cm csúcsértékkel jellemzett elektromos térerősségei

30 állóhullámokat keltünk.

13. Az 1-12, fos szerinti eső nagyi nto? venciáiát 0,01 THz és 10 THz közé esőnek vá

14, Az 1-13. foé 5 elektromosan töltött ré

5, azzal jellemezve, hogy a azzal jellemezve, hogy az } nyal

I elvű unöulátor, amelynek nagyintenzitású: elektromágneses impulzusok alkalmas impulzusforrása, valamint elektromosan töltött nagyenergiás részecskenyaláb, különösen elektronnyaláb, átvezetésére szolgáié és undu10 látorhatást biztosító kölcsönhatási tartománya van, azza//el/e.mezve, hogy az lm· pulzusforrás terahertz frekvenciatartományba eső frekvenciájú impulzusok (7; 7a, 7b) kibocsátására alkalmas Ímpulzusforrásként (2) van kialakítva, továbbá a kölcsönhatási: tartományban az ondulátorhatás az impulzusforrás (2) által kibocsátott, terahertz frekvenciatartományba eső nagyíntenzltású impulzusok (7; 7a, 7b) Inter15 ferenciájával keltett elektromágneses állóhullám maximális elektromos térerősségű pontjai által klfeszífett síkot tartalmazó azon térrészben ébredő erőhatással kerül biztosításra, melyben az elektromos térerősség nagysága az említett síkon felvett maximális értékétől legfeljebb 10%-kal tér el.

iuíátor, azzal jellemezve, hogy az abba leképező tulajdonságú ϊη

18. A 15. igénypont szerinti optikai elvű 20 unduláforhefás kiváltásához az imp eső nagyíntenzltású impulzusokat (7; 7a, 7b) egymással léterelő és adott esetben

1 elemet (4a, 4b) tartalmaz, az impulzusforrás (2) és a kölcsönhatási tartomány között az impulzusok (7; 7a, 7b) terjedési útjí elrendezve.

F szerinti optikai elvű unduláfor, azzal jellemezve, iőntö tulajt terelő tulak (7; 7a, 7b) intenzitásfrontját azok

1 elemet (8) tartalmaz, a kölcsönhatási tartoikai elem (4a, 4b) és az impub

IS. A IS-17. igénypontok szerinti optikai elvű undulátor, azzal jellemezve, hogy a /a.

máz, azzal/el és az elektronok el tor a 15-18 30} van kia ezer, amely elektrontorrást w, hogy az elektronforrásböl áthaladása közben az e elektromágneses s bármelyike szerinti és legalább egy ondolátort tártaiéi származó elektronokat átbocsátó ónéul késztető onduiá