Transcript Ersin ÇİÇEK

KIZILÖTESİ SERBEST ELEKTRON
LAZERİ İÇİN FOTON
DİYAGNOSTİĞİ’NİN TEKNİK
TASARIMI
ERSİN ÇİÇEK*, PERVİN ARIKAN*
*Gazi Universitesi, Fen Fakültesi, Fizik Bölümü, 06500, Teknikokullar, ANKARA
07-09.09.2013, Türk Fizik Derneği 5. Uluslararası Katılımlı
Parçacık Hızlandırıcıları ve Uygulamaları Kongresi (UPHUK-5)
İçerik










Serbest Elektron Lazeri ve Elde Edilmesi
THM Kızılötesi SEL
THM-TARLA SEL Foton Diyagnostiği
Foton Diyagnostiği için Kullanılan Optik Bileşenler
Diyagnostik Masası Dalgaboyu ve Güç Ölçümleri
Otokorelatör Kurulumu, SEL için Atma Uzunluğunun
Hesaplanması
Ti: Sa Lazeri için Atma Uzunluğunun Hesaplanması
SEL için Otokorelatör Kurulumu
Optik Işın Karakterizasyonu
Sonuçlar
2
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
Serbest Elektron Lazeri (SEL)
Lineer hızlandırıcıdan
elde edilen rölativistik
elektron demetinin,
‘undulatör’ adı verilen
salındırıcı magnetlerden
geçirilmesi sonucu elde
edilen ışınıma Serbest
Elektron Lazeri (SEL)
denir.
SEL Çeşitleri;
 Yükselteç SEL
• Işınımın dışarıdan verilen başka bir ışınım ile
güçlendirilmesi
 SASE (Self Amplified Spantenous EmissionKendiliğinden genlik arttırımlı SEL) SEL
• Elektron demetinin salındırıcı magnetten
geçerken, kinetik enerjisinin bir kısmını ışıma
yoluyla kaybetmesi, Tek geçiş
 Osilatör SEL
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
3
 Osilatör Serbest Elektron Lazerinin Elde Edilmesi
PARAMETRELER
SÜPER İLETKEN
NORMAL İLETKEN
Çalışma Frekansı
MHz
1300
3000
Paket Tekrarlama Oranı
MHz
13-260
1000
Atma Uzunluğu
µs
Sürekli
10
Atma Aralığı
s
Sürekli
0.1
Ortalama Akım
mA
1
0.02
Paket Boyu
ps
0.5-10
4
Demet Gücü
kW
40
0.8
Toplam Elektrik İhtiyacı
kW
600
210
•
Doğrusal hızlandırıcılar;
 Sürüklenme (drift) tüpler
 RF (radyo frekans)
 Süperiletken (Sİ) ve
Normaliletken (Nİ)
•
• Termiyonik Tabanca
 Katot (filaman)
 Wehnelt silindiri (grid
kap ~ -500V)
 Anot
Rölativistik elektron demeti, manyetik kuvvet tarafından x-s
düzleminde periyodik bir salınıma zorlanır.
Elektronlar sinüssel değişen manyetik alanda ivmeli hareket
edeceğinden (yön değiştirme) foton yayacaklardır.
(senkronize radyasyon)
4
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
 Optik Kavite
• Salındırıcıya giren elektron
demeti ivme ve genlik kazanır
ve kendiliğinden ışıma yayar,
• Işıma iki küresel ayna arasında
pek çok kez yansıtılır,
• Lazer dalgası ile elektron
demeti arasında enerji
alışverişi gerçekleşir,
• Koherent bir ışınım elde edilir.
Rezonatör uzunluk kontrol ve stabilizasyon sistemi şematik görüntüsü
HZDR, Radiation Source ELBE, "IR Radiation (FEL) "
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
5
 THM Kızılötesi Serbest Elektron Lazeri
LINAK-1
Enjektör
Demet
LINAK-2
5-20Sıkıştırıcı
MeV
250 keV
8-40 MeV
•
•
•
•
Elektronları 250 keV’lik enerjiye
ulaştıracak bir DC termiyonik
elektron tabancası
3-250 μm dalgaboyu aralığında SEL
üretimi
Lazer
SEL Üretimi
3-250 µm
Deney İstasyonları;
• Foton Diyagnostik,
• Ultrahızlı Fotonik uygulamalar,
• Genel IR Spektroskopi,
• Nükleer çalışmalar için
Bremsstrahlung istasyonu (5-40
MeV – γ ya da sabit hedef)
40 Mev enerjili elektron demeti elde
etmek için, iki 20 MeV süperiletken
RF hızlandırıcı modül
Prof. Dr. Pervin Arıkan, The Status of
Farklı salındırıcı (U25 ve U90)
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
TARLA IR-FEL Experimental Stations
6
 TARLA tesisi elektron demet ve SEL parametreleri
Parametre
Birim
Değer
Elektron demet enerjisi
MeV
15-38,5
Maksimum ortalama
elektron demet akımı
mA
1,6
Maksimum paketçik yükü
pC
80
Mikro-atma tekrarlama oranı
MHz
13-26
Enine emittans
mm.mrad
<13
Boyuna emittans
keV. ps
<50
Makro-atma süresi
µs
40-CW
Makro-atma tekrarlama
oranı
Hz
10-CW
Parametre
Birim
U25
U90
Dalgaboyu
µm
3-19
18-250
Frekans
THz
150-10
16-1,2
Mikro-atma
MHz
13
13
MW
~5
~2,5
tekrarlama oranı
Maksimum pik
gücü
Ortalama güç
W
0,1-40
0,1-30
Maksimum atma
µJ
~10
~8
Atma uzunluğu
ps
1-10
1-10
Spektral Parlaklık
foton / s mm2
~1030
~1029
enerjisi
mrad2 %0.1bg A
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
İki farklı mod’da çalışan
süperiletken lineer
hızlandırıcılar kullanılarak
atmalar elde edilecektir.
• CW mod (Continuous
Wave-Sürekli dalga)
• Makro-atma mod
7
THM TARLA-SEL Foton Diyagnostiği
Foton Diyagnostiği, optik kaviteden elde SEL ışınının;
 Hizalanması,
 Dalgaboyu ayarlanması,
 Odaklanması,
 Masa üzerindeki optik araçların düzeni,
 Kullanıcı laboratuarları için karakteristiklerinin, (Atmanın yoğunluğu ve gücü,
SEL’in dalgaboyu ve spektral dağılımı, SEL’in çok kısa atma uzunluğu)
belirlenmesi işlemlerini kapsar.
• Optik kaviteden elde edilen kızılötesi lazer;
• Brewster açısında monte edilmiş 320 µm kalınlığına sahip bir CVD elmas vakum
penceresi,
• 3’ü toroidal biri düz olmak üzere 4 ayna yardımıyla ve mercekler,
• Işın borularının oluşturduğu demet hattı,
8
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
Foton Diyagnostiği için Kullanılan Optik Bileşenler
• Diyagnostik masası
• Aynalar (scrapper, çevirmeli, odaklayıcı parabolik aynalar vb.),
• Işın ayırıcı,
• Czerny-turner tipi spektrometre,
• SEL’in dalgaboyu ve güç ölçümü için dedektörler (MCT,
Ge:Ga, Pyroelektrik, Yüksek güç ve düşük güç dedektörleri),
• Nd: Vanadat lazer sistemi ve plazma anahtar sistemi
(Nd:Vanadat lazer, yükselteç, Si/Ge anahtar tabaka),
• Zayıflatıcı,
• Optik pencereler,
• Polarizasyon dönüştürücü,
• Optomekanik bileşenler (Optiksel ışın kesici, optik raylar,
açıklıklar, lab platforms, ayna ayakları ve ayna tutucuları vb.),
• Optik otokorelatör
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
9
 Diyagnostik Masası
• Granit masa
HZDR, Radiation Source ELBE, "IR Radiation (FEL) "
• Boyutlar; masa uzunluğu 180 cm, genişlik 120 cm ve kalınlık 20,3 cm,
Masanın yerden yüksekliği ise 90 cm
10
• Kuru 𝑵𝟐 , He veya Ne gazları ile soğutma
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
 Otokorelatörün şematik düzeni
SHG kristal;
 Yüksek şiddete sahip monokromatik ışık
 Gelen ışığın frekansının iki katı frekansa
sahip ışık sinyali
SHG Kristali Kullanılarak bir Yoğunluk Otokorelatörü için Deneysel Şema
Malzeme
Dalgaboyu Geçirgenlik
Özellikler
•
İkincil harmonik üretimi
Aralığı
0,74-12 µm
𝑍𝑛𝐺𝑒 𝑃
∆𝐸 ′
kaliteli, farklı kristal
kesimleri mümkündür
2
0,75-20 µm
CdSe
kaliteli, farklı kristal
kesimleri mümkündür
3,8-32 µm
Te
yüksek lineer olmayan
katsayı, elde etmek zordur
2,4-18 µm
𝐶𝑑𝐺𝑒𝐴𝑠
katsayı, elde etmek zordur
2
GaSe
yüksek lineer olmayan
0,65-18 µm
Görünür bölgede
geçirgendir, sadece doğal
kristal kesimi mümkündür
CdTe
1-35 µm
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
kaliteli, çift kırınımlı değildir
Elektronun sanal seviyede kalma süresi;
𝜏0 × ∆𝐸 ′ ~ℎ/2
∆𝐸 ′ enerjisi en yakın gerçek enerji
düzeyi ile sanal seviye arasındaki fark
11
Filtre Malzeme
λ/2’de iletimi
ZnSe (5mm, yansıtma
önleyici tabaka
kaplamalı)
𝐶𝑎𝐹2 (2mm,
kaplamasız)
𝐴𝑙2 𝑂3 (4mm,
kaplamasız)
Turkuaz Filtre
(yansıtma önleyici
tabaka kaplamalı)
>95%
λ’da iletimi
>95%
12-22 µm
<10-4
>85%
6-11 µm
<10-4
∆𝑘 = 2𝑘1 − 𝑘2 = 0
>90%
8-14 µm
<10-4
𝑛2 − 𝑛1 = 0
<10-6
• Atma uzunluğunun çıkarımı
• MCT dedektör kullanılarak otokorelasyon
sinyal eğrisi elde edilir,
• Fit edilir.
Gausyen Atma Formu
I(t)
G2(τ)
𝑒
𝑒
• Kristal içerisinde faz eşleştirme,
kristalin optik ekseni
değiştirilerek elde edilir.
Kullanışlı
Aralığı
21-35 µm
𝑡 2
)
𝜏𝑝
sech2(t)
𝜏 2
)
𝜏𝐺
−3(𝜏 coth 𝜏 − 1)/𝑠𝑖𝑛ℎ2 (𝜏)
−2 ln2(
−2 ln2(
Sekant-Hiperbolik Atma Formu
𝜏𝑝 /𝜏𝐺
0,7071
0,6482
𝜏𝑝 × ∆𝜈
0,4413
0,3148
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
• İkincil harmonik sinyalinin
veriminin yüksek olması için;
∆τ, atma uzunluğu, ∆ν, frekans
değeri, Gausyen atmalar için;
∆τ × ∆ν = 0,4413
𝜏𝐺 ≅ 1.41 𝜏𝑝
12
DENEY VE
SONUÇLAR
 Foton Diyagnostiği için yapılan bütün deneyler HZDR (Helmholtz
Zentrum Dresden Rossendorf) – ELBE Radiation Source tesisinde Dr.
Wolfgang Seidel ile birlikte gerçekleştirilmiştir.
13
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
Sabit optik kavite uzatılma miktarı ve artan salındırıcı
kutup aralığı için değişen SEL dalgaboyu ve güç
değerleri
Veri No
Kutup
Optik Kavite Uzatılma
Dalgaboyu
Aralığı – g
Miktarı (mm)
(µm)
Güç(W)
(mm)
1
13,8
4,227
15,95
1,9
2
14,0
4,227
15,75
2,1
3
15,0
4,227
14,86
2,7
4
16,0
4,227
14,15
2,4
5
17,0
4,227
13,58
2,5
6
18,0
4,227
13,18
1,7
Yoğunluk [a.u]
 Farklı salındırıcı aralıkları (g) için dalgaboyu ve güç ölçümü
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
-0,5
-1,0
-1,5
-2,0
-2,5
15,95 m
15,75 m
14,86 m
14,15 m
13,58 m
13,18 m
12,5 13,0 13,5 14,0 14,5 15,0 15,5 16,0 16,5 17,0
Dalgaboyu [μm]
•
SEL’in dalgaboyu;
𝜆𝑢
𝐾2
𝜆𝑙𝑎𝑧𝑒𝑟 =
1+
+ 𝛾𝑒 2 θ2
2
2𝛾𝑒
2
;
𝐾 = 0.934𝐵𝑢 𝑇 𝜆𝑢 [𝑐𝑚]
𝐵0 , Salındırıcıdaki kutup uçlarının
Düzlemsel salındırıcının magnet alanı,
orta noktasındaki akı yoğunluğu
𝜕φ
𝐵𝑧 𝑠, 𝑧 =
= 𝑘𝑢 𝐴𝑐𝑜𝑠ℎ 𝑘𝑢 𝑧 cos(𝑘𝑢 𝑠)
olmak üzere demet ekseni
𝜕𝑧
boyunca değişen alanın pik değeri;
𝐵0 • 𝑘𝑢 , salındırıcı magnete ait dalga sayısı
𝐴=
• 𝑔 λu, düzlemsel salındırıcının periyot uzunluğu
𝑘𝑢 cosh 𝜋
𝐵0
• 𝜆𝑢φ, elektronun yatay hız bileşeni ile
𝐵=
𝑔
elektromanyetik
dalga
arasındaki
faz
açısı
𝐵0
𝑔
cosh 𝜋
𝜆𝑢
𝐵𝑧 𝑠, 𝑧 =
𝑘𝑢 salındırıcı
cos(𝑘𝑢 𝑠)içerisinde eksen boyunca ideal
•𝑔 Θ,cosh
Parçacığı
2
cosh 𝜋 yörüngesinde tutacak olan maksimum açı
𝜆𝑢
• Dalgaboyu ölçümleri CW mod, Güç ölçümleri makro-atma mod
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
14
Sabit optik kavite uzatılma miktarı ve farklı salındırıcı kutup aralıkları için
SEL’in değişen özellikleri
Veri
Dalgaboyu
No
(µm)
Güç (W)
FWHM -∆λ
Sigma-σ (µm)
∆τ (ps)
(µm)
• Salındırıcı aralığı değiştirilerek
SEL’in dalgaboyu ayarlanır.
1
15,95
1,9
0,16043
0,06813
2,33
2
15,75
2,1
0,15145
0,07533
2,05
3
14,86
2,7
0,14930
0,06340
2,17
4
14,15
2,4
0,15346
0,06517
1,91
5
13,58
2,5
0,14195
0,06028
1,90
6
13,18
1,7
0,13524
0,05743
1,88
• U27 salındırıcısı, 15,5 µm SEL
• Sabit optik kavite uzatılma
miktarı 4,227 mm
• Atma uzunlukları teorik olarak
hesaplanır
𝐹𝑊𝐻𝑀 = 𝜎 × 2,35
15
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
 Otokorelatör Kurulumu, Ti: Sa lazeri SEL için Atma Uzunluğunun
Hesaplanması
• Değişken τ zaman farkı,
• SH üreten bir kristal,
• Zamansal ve uzaysal olarak üst üste
getirilme.
• Işın ayırıcıdan yansıyan ve geçen
ışınların güçleri 0,65 mW
• He-Ne lazer (633 nm,5 mW),
• 3 altın ve 2 gümüş ayna (çap
50,8 mm, kalınlık 10 mm), 5
aralık
• Parabolik ayna (odak uzaklığı
50 mm Çap(Ø2")= 50 mm),
• Lazerin masadan yüksekliği
15 cm,
• λ-Yarım dalga plaka,
Işın ayırıcıdan geçen lazerin aldığı yol;
𝑿𝟏 = 𝟖, 𝟓 𝐜𝐦 + 𝟔, 𝟓 𝐜𝐦 + 𝟐𝟒, 𝟓 𝐜𝐦 + 𝟏𝟒, 𝟎 𝐜𝐦 + 𝟔, 𝟎 𝐜𝐦 = 𝟓𝟗, 𝟓 𝐜𝐦
Işın ayırıcıdan yansıyan lazerin aldığı yol;
𝑿𝟐 = 𝟏𝟓, 𝟎 𝐜𝐦 + 𝟏𝟔, 𝟎 𝐜𝐦 + 𝟐𝟑, 𝟓 𝐜𝐦 + 𝟒, 𝟐 𝐜𝐦 = 𝟓𝟖, 𝟕 𝐜𝐦
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
16
 Ti: Sa Lazeri için Atma Uzunluğunun Hesaplanması
• 650-1100 nm dalgaboyu
• Birkaç ps ve 10 fs arasında
ultrahızlı
• Sinyal tekrarlama oranı 70-90
MHz arası
• 0,5’den 1,5 W’a kadar ortalama
güç çıkışı
•
•
•
•
•
•
•
•
Ti: Sa Lazer (λ=800nm)
Osiloskop, λ/2 yarım dalga plaka
Elektrikli motor kızak sistemi
Çapı (Φ)=50,8 mm olan 5 adet Ayna
ZnSe ışın ayırıcı (Kalınlık=3mm, Çap(Φ)=2*25,4mm)
BBO lineer olmayan kristal, SHG@800nm
1 adet Lens (Odak uzaklığı=50 mm, Çap(Φ)=25,4mm, 190-2100 nm
Geçirgenlik aralığı 335 – 610 nm olan monte edilmemiş renkli cam filtre
(Çap(Φ)=1 inç= 25,4 mm Kalınlık=2 mm)
• 320-1100 nm dalgaboyu aralığında verimli olan, Ultrahızlı Fotodedektör
((Yükselme süresi<175 ps
17
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
• Ti: Sa Lazer (λ=800nm)
• İkincil Harmonik sinyal 400 nm,
Renkli cam filtre için geçirgenlik yüzdesi
• Sinyalin genliği
yükselteç kullanılarak
arttırılır (yaklaşık 5
kat)
Tetikleyici olarak kullanılan Si tabanlı DET10A
dedektörünün spektral cevabı
18
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
Otokorelasyon Sinyali
Otokorelasyon Sinyali Gauss Fit Fonksiyonu
Otokorelasyon Sinyali [a.u]
0,0035
Model
Gauss
Fonksiyon
y=y0 + (A/(w*sq
rt(PI/2)))*exp(-2
*((x-xc)/w)^2)
0,0030
4,30235E-9
Reduced
Chi-Sqr
0,99424
Adj. R-Square
0,0025
Deger
0,0020
Fit Sonuçlar
0,0015
8,69339E-4
8,0109E-6
xc
4,71776
0,00638
w
2,51017
0,01725
A
0,00766
6,30917E-5
sigma
1,25509
0,00863
FWHM
yc
0,0010
0,0005
0
2
4
6
8
Standart Hata
y0
10
2,9555
0,02031
0,00243
1,21332E-5
• Elektrikli motor kızağı
üzerinde adım sayısı 270
• Her bir adım arasında ki
zaman farkı 20 fs
• Tarama süresi yaklaşık 5,4
ps
• Tarama uzunluğu yaklaşık
olarak 1,5058 mm’dir
nm
FWHMps
ps
Gecikme [ps]
Otokorelasyon eğrisinin FWHM değeri;
𝐹𝑊𝐻𝑀 = 𝜏𝐺 = 2,9555 ± 0,02031 𝑝𝑠
𝜏𝑃 /𝜏𝐺 = 0,7071 olmak üzere 810 nm dalgaboyuna sahip Ti: Sa lazeri için atma uzunluğu;
∆𝜏 = 𝜏𝑃 = 0,7071 × 𝜏𝐺 = 0,7071 × 2.9555 = 2,08 𝑝𝑠
Dalgaboyu (nm)
FWHM (ps)
Atma uzunluğu (ps)
786
2,81159
1,99
810
2,9555
2,08
843
2,3051
1,62
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
19
 Ti: Sa Lazeri İkincil Harmonik için Güç Ölçümü
• Dalgaboyu sabit (λ=801 nm)
• Nötr yoğunluk filtresi (240-1200 nm),
• Güç belli kademelerde azaltılır
(1,74W – 1,21 W – 0,71 W)
Otokorelasyon Sinyali
Otokorelasyon Sinyali Gauss Fit Fonksiyonu
0,0045
Otokorelasyon Sinyali [a.u]
0,0040
Model
Gauss
Fonksiyon
y=y0 + (A/(w*sqrt
(PI/2)))*exp(-2*((x
-xc)/w)^2)
6,34095E-9
Reduced Chi-Sqr
0,99322
Adj. R-Square
0,0035
Deger
Standart Hata
0,00126
8,76857E-6
y0
0,0030
Fit Sonuçlar
0,0025
0,0020
xc
w
A
sigma
5,16226
2,79877
0,00957
1,39938
0,00729
0,01932
7,81622E-5
0,00966
FWHM
yc
3,2953
0,00273
0,02275
1,37999E-5
• Dalgaboyu sabit (λ=801 nm)
• İkincil harmonik sinyal 400 nm
• Güç 1,74 W
nm
FWHMps
ps
0,0015
0,0010
0
2
4
6
8
10
Gecikme [ps]
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
12
20
Otokorelasyon Sinyali
Otokorelasyon Sinyali Gauss Fit Fonksiyonu
Model
Gauss
Fonksiyon
y=y0 + (A/(w*sqrt(
PI/2)))*exp(-2*((xxc)/w)^2)
0,0030
4,97906E-9
Otokorelasyon Sinyali [a.u]
Reduced Chi-Sqr
0,98566
Adj. R-Square
0,0025
Fit Sonuçlar
0,0020
y0
xc
w
A
sigma
FWHM
yc
0,0015
Deger
0,00123
5,49653
2,66345
Standart Hata
6,41384E-6
0,01019
0,0249
0,00563
1,33173
3,13597
0,00169
5,87898E-5
0,01245
0,02932
1,20719E-5
• Dalgaboyu sabit (λ=801 nm)
• İkincil harmonik sinyal 400 nm
• Güç 1,21 W
=801 nm
FWHM=3,13597 ps
=2,21 ps
0,0010
0
2
4
6
8
10
12
Gecikme [ps]
Otokorelasyon Sinyali [a.u]
Otokorelasyon Sinyali
Otokorelasyon Sinyali Gauss Fit Fonksiyonu
Model
Gauss
0,0019
Fonksiyon
y=y0 + (A/(w*sqrt
(PI/2)))*exp(-2*((
x-xc)/w)^2)
0,0018
Reduced Chi-Sqr
4,81975E-9
0,87852
Adj. R-Square
0,0017
Deger
0,0016
Fit Sonuçlar
0,0015
0,0014
0,00119
5,95354E-6
xc
5,49883
0,02956
w
2,44011
0,07
A
0,00168
5,22325E-5
sigma
1,22005
0,035
FWHM
2,87301
0,08242
5,4805E-4
1,22453E-5
yc
0,0013
Standart Hata
y0
• Dalgaboyu sabit (λ=801 nm)
• İkincil harmonik sinyal 400 nm
• Güç 0,71 W
=801 nm
FWHM=2,87301 ps
=2,03 ps
0,0012
0,0011
0,0010
0
2
4
6
8
10
12
Gecikme [ps]
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
21
Dalgaboyu
Güç
FWHM
Atma
(nm)
(W)
(ps)
Uzunluğu (ps)
801
1,74
3,29530
2,33
801
1,21
3,13597
2,21
801
0,71
2,87301
2,03
∆τ × ∆ν = 0,4413
• Dalgaboyu sabit, tekrar kristal
optimizasyonuna gerek yok
0,00140
Otokorelasyon sinyali [a.u]
0,00135
0,00130
0,00125
Gürültü yoğunluk değeri
sabit, ortalama 0,00118 V
0,00120
0,00115
0,00110
0,00105
0,00100
0
1
2
3
Gecikme [ps]
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
4
5
6
22
 SEL için Otokorelatör Kurulumu
Malzeme
Dalgaboyu Geçirgenlik
Aralığı
0,74-12 µm
𝑍𝑛𝐺𝑒 𝑃
•
Polarizasyon dönüştürücü,
•
Elektrikli motor kızak sistemi, Osiloskop,
•
Pyroelektrik kamera,
• Özellikler
Lineer olmayan CdTe kristali (Kalınlık: 600
µm, Boyutlar: 10*10*0,6 mm3
•
2 adet ZnSe lens (Odak uzaklığı:50 mm,
Çap(Ø1"):25,4 mm,
kaliteli, farklı kristal
kesimleri mümkündür
2
0,75-20 µm
CdSe
• U100, SEL (26,2 μm)
•
1-26 μm, MCT dedektörü,
kesimleri mümkündür
3,8-32 µm
Te
kaliteli, farklı kristal
yüksek
olmayanfiltre
• lineer
Turkuaz
katsayı, elde etmek zordur
2,4-18 µm
𝐶𝑑𝐺𝑒𝐴𝑠
2
GaSe
0,65-18 µm
yüksek
olmayan
• lineer
Mylar
ışın
ayırıcı (Kalınlık:1,2 µm,
mm),
katsayı, eldeÇap(Φ):2*25,4
etmek zordur
Görünür bölgede
geçirgendir, sadece doğal
 SEL 26,2 μm – İkincil Harmonik
ışın 13,1 μm
kaliteli, çift kırınımlı değildir
 SEL’in toplam gücü 60 mW,
 Işın ayırıcıdan yansıyan ışının
gücü 26 mW,
 Işın ayırıcıdan geçen ışının gücü
32 mW
kristal kesimi mümkündür
CdTe
1-35 µm
23
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
•
•
•
•
SEL 26,2 μm – İkincil Harmonik ışın 13,1 μm
SEL’in toplam gücü 60 mW,
Işın ayırıcıdan yansıyan ışının gücü 26 mW,
Işın ayırıcıdan geçen ışının gücü 32 mW
İletim [%]
Yansıma [%]
Kullanılan ZnSe lenslerinin dalgaboyuna bağlı olarak yansıma ve iletim yüzdeleri
Dalgaboyu [μm]
Dalgaboyu [μm]
Bloke edici filtreler ve karakteristikleri
Filtre Malzeme
λ/2’de iletimi
Kullanışlı Aralığı
λ’da iletimi
ZnSe (5mm, yansıtma önleyici
tabaka kaplamalı)
>95%
21-35 µm
<10-6
𝐶𝑎𝐹2 (2mm, kaplamasız)
>95%
12-22 µm
<10-4
𝐴𝑙2 𝑂3 (4mm, kaplamasız)
>85%
6-11 µm
<10-4
Turkuaz Filtre
(yansıtma önleyici tabaka
kaplamalı)
>90%
8-14 µm
<10-4
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
24
 Otokorelasyon Eğrisinin Elde edilmesi ve Atma Uzunluğunun Hesaplanması
• He-Ne interferometrik lazer, Kristal optimizasyonu, Dedektör konumu
• İki ışın arasındaki 𝜏 gecikme zamanı değiştirilir, SH elde edilir
 SEL Işınının Optik Karakterizasyonu
• Optik ışın özellikleri hassas bir şekilde ayarlanabilir (ELBE U100 Ölçümleri!!)
Optik Kavite
Optik Kavite
Güç-P (mW)
Güç-P (W)
Uzatılma
Ayarı-∆L (µm)
(makro-atma
(sürekli dalga
mod)
mod)
70
Miktarı-CL (mm)
-
0
0
60
8,335
-
0
0
50
8,340
0
15
1,875
8,345
-5
63
7,875
8,350
-10
54
6,75
8,355
-15
49
6,125
8,360
-20
45
5,625
8,365
-25
40
5,0
8,370
-30
34
4,25
8,375
-35
28
3,5
8,380
-40
18
2,25
8,385
-45
5
0,625
8,390
-50
0
0
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
SEL Gücü – P [mW]
8,330
63 mW
28 mW
40
30
20
10
0
-10
-50
-40
-30
-20
Optik kavite ayarı - ∆L [μm]
25
-10
0
SEL Spektral Yogunluk
SEL Spektral Yogunluk Gauss Fit Fonksiyonu
Yogunluk [a.u]
6
Model
Gauss
5
Fonksiyon
y=y0 + (A/(w*sqr
t(PI/2)))*exp(-2*(
(x-xc)/w)^2)
4
Reduced
Chi-Sqr
0,29382
Adj. R-Square
0,91493
3
Deger
2
1
Fit Sonuçlar
0
-1,4771
0,08062
xc
26,40785
0,00711
w
0,41284
0,01685
A
2,69062
0,11944
sigma
0,20642
0,00843
FWHM
0,48608
0,01984
yc
5,20014
0,1654
-1
m
m
FWHM=m
-2
25,0
25,5
26,0
26,5
27,0
27,5
Standart Hata
y0
28,0
Otokorelasyon Sinyali
Otokorelasyon Sinyali Gauss Fit Fonksiyonu
Model
Gauss
Fonksiyon
y=y0 + (A/(w*sqr
t(PI/2)))*exp(-2*(
(x-xc)/w)^2)
Otokorelasyon Sinyali [a.u]
60
32,72218
Reduced
Chi-Sqr
0,9237
Adj. R-Square
40
Deger
20
0
Fit Sonuçlar
-37,75745
0,23131
xc
17,45726
0,0185
w
2,8026
0,03885
A
271,63418
3,55153
1,4013
0,01942
3,29981
0,04574
77,33271
0,89906
FWHM
-20
yc
-40
-60
0
5
10
15
20
25
30
Standart Hata
y0
sigma
35
Gecikme [ps]
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
Spektral bant genişlik yüzdesi;
∆λ
0,48608 µ𝑚
[%] =
= 1,8
𝜆
26,40785 µ𝑚
Otokorelasyon sinyali;
• Elektrikli motor kızağı üzerinde adım sayısı
800
• Her bir adım arasında ki zaman farkı 20 fs
• Tarama süresi 16 ps,Tarama uzunluğu 4,73
mm
Dalgaboyu[m]
80
Optik spektrum;
• 26,2 μm SEL
• Optik kavite uzatılma miktarı 8,345 mm
• 63 mW güç
m
FWHMps
ps
Otokorelasyon eğrisinin FWHM değeri;
𝐹𝑊𝐻𝑀 = 𝜏𝐺 = 3,29981 ± 0,04574 𝑝𝑠
𝜏𝑃 /𝜏𝐺 = 0,7071
∆𝜏 = 𝜏𝑃 = 0,7071 × 𝜏𝐺 = 0,7071 × 3,29981
= 2,33 𝑝𝑠
26
SEL Spektral Yogunluk
SEL Spektral Yogunluk Gauss Fit Fonksiyonu
5
Model
Gauss
Fonksiyon
y=y0 + (A/(w*sqr
t(PI/2)))*exp(-2*(
(x-xc)/w)^2)
4
Yogunluk [a.u]
0,0132
Reduced
Chi-Sqr
3
0,99365
Adj. R-Square
Deger
2
1
Fit Sonuçlar
0
-1
-1,50843
0,01294
xc
26,21747
8,37754E-4
w
0,15911
0,00175
A
1,15868
0,0119
sigma
0,07955
8,74406E-4
FWHM
0,18734
0,00206
yc
5,81048
0,05377
m
m
FWHM=m
-2
25,0
25,5
26,0
26,5
27,0
Standart Hata
y0
27,5
Dalgaboyu[m]
Otokorelasyon Sinyali [a.u]
0
Fonksiyon
Reduced
Chi-Sqr
-10
Gauss
y=y0 + (A/(w*s
qrt(PI/2)))*exp(
-2*((x-xc)/w)^2
)
17,31733
Deger
Fit Sonuçlar
-30
0
2
4
6
Standart Hata
y0
-37,86213
0,80953
xc
6,90569
0,07622
w
5,21698
0,25905
A
173,53468
11,78282
sigma
2,60849
0,12952
FWHM
6,14252
0,305
yc
26,5404
0,90671
-40
-2
∆λ
0,18734 µ𝑚
[%] =
= 0,7
𝜆
26,21747 µ𝑚
0,83133
Adj. R-Square
-20
Spektral bant genişlik yüzdesi;
Otokorelasyon sinyali;
• Elektrikli motor kızağı üzerinde adım sayısı
210
• Her bir adım arasında ki zaman farkı 40 fs
• Tarama süresi 8,4 ps,Tarama uzunluğu 2,52
mm
Otokorelasyon Sinyali
Otokorelasyon Sinyali Fit Fonksiyonu
Model
Optik spektrum;
• 26,2 μm SEL
• Optik kavite uzatılma miktarı 8,375 mm
• 28 mW güç
8 10 12 14 16
Gecikme [ps]
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
m
FWHMps
ps
Otokorelasyon eğrisinin FWHM değeri;
𝐹𝑊𝐻𝑀 = 𝜏𝐺 = 8,03229 ± 0,6551 𝑝𝑠
𝜏𝑃 /𝜏𝐺 = 0,7071
∆𝜏 = 𝜏𝑃 = 0,7071 × 𝜏𝐺 = 0,7071 × 8,03229
= 5,67 𝑝𝑠
27
SEL için optik spektrumlardan elde edilen sonuçlar;
Optik Kavite Uzatılma
Sigma-σ (µm)
Güç-P (mW)
Miktarı-CL (mm)
Optik Spektrumların
Spektral Bant Genişlik
FWHM Değeri- ∆λ/ (µm)
Yüzdesi
[∆λ/λ (%)]
8,345
0,20642
63
0,48608
1,8
8,355
0,15008
49
0,35342
1,3
8,365
0,10139
40
0,23876
0,9
8,375
0,07955
28
0,18734
0,7
SEL için otokorelasyon sinyal sonuçları;
Optik Kavite Uzatılma
Otokorelasyon Sinyallerinin
Güç-P
Miktarı-CL (mm)
FWHM Değeri
(mW)
Atma Uzunluğu (ps)
(ps)
8,345
3,29981
63
2,33
8,355
4,99296
49
3,53
8,365
6,14252
40
4,34
8,375
8,03229
28
5,67
28
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
 SONUÇLAR
 THM TARLA tesisi, üretilecek olan 3–250 μm dalgaboyu aralığındaki kızılötesi lazerin;
•
•
•
•
Güç (TARLA tesisi için 0.1-40 W),
Dalgaboyu (TARLA tesisi 3-250 μm ),
Spektral dağılımı ve
Atma uzunluğu (TARLA tesisi için 1-10 ps)
Parametrelerin hesabı,
 Kısa dalgaboyları için MCT,
uzun dalgaboyları için ise
Pyro dedektör,
 Elmas pencere diyagnostik
masası üzerinde,
 ZnSe, KRS-5, TPX, kuartz ve
yine elmas kullanıcı
istasyonlarının girişinde,
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
Pencere
Geçirgenlik Aralığı
Magnezyum Florür (MgF2)
120 nm – 6 µm
Safir
150 nm - 5 µm
Kalsiyum Florür (CaF2)
180 nm – 8 µm
Çinko Selenür (ZnSe)
600 nm - 16 µm
Çinko Sülfür (ZnS)
0,4 µm - 12 µm
Talyum Bromit İyodin (KRS-5)
0,6 µm - 50 µm
Z-kesimli Kuartz
<3 µm - >80 µm (kızılötesi bölge)
Elmas*
Tüm kızılötesi bölge
TPX Poli(4 Metil–1 Penten)
40 µm - 2000 µm
29
 Ti: Sa lazeri için atma uzunlukları 1-3 ps arasında,
 Ti: Sa, ikincil harmonik minimum güç miktarı 0,71 W olarak ölçülmüştür.
• 1,74W gücüne sahip Ti:Sa için;
𝑃𝑠𝑖𝑔𝑛𝑎𝑙
0,0040𝑉
𝑆𝑁𝑅 =
=
= 3,38
𝑃𝑛𝑜𝑖𝑠𝑒
0,00118𝑉
• Üç farklı güç değeri;
• İyi bir otokorelasyon sinyali için
• 1,21 W gücüne sahip Ti:Sa için; yüksek güce sahip Ti:Sa
𝑃𝑠𝑖𝑔𝑛𝑎𝑙
0,0030𝑉
𝑆𝑁𝑅 =
=
= 2,54
𝑃𝑛𝑜𝑖𝑠𝑒
0,00118𝑉
• 1,21 W gücüne sahip Ti:Sa için;
𝑃𝑠𝑖𝑔𝑛𝑎𝑙
0,0018𝑉
𝑆𝑁𝑅 =
=
= 1,52
𝑃𝑛𝑜𝑖𝑠𝑒
0,00118𝑉
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
30
 Atma uzunluğunu hesaplamak için otokorelatör ve CdTe kristali,
• 35 µm ve üstü dalgaboyu aralıkları teorik hesap,
Malzeme
Dalgaboyu
Geçirgenlik Aralığı
 Altın (Au) kaplama malzemesi
olarak,
 Bakır alttaş malzemesi olarak,
0,74-12 µm
𝑍𝑛𝐺𝑒𝑃
2
CdSe
0,75-20 µm
Te
3,8-32 µm
2,4-18 µm
𝐶𝑑𝐺𝑒𝐴𝑠
2
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
GaSe
0,65-18 µm
CdTe
1-35 µm
SEL Spektral Yogunluk
SEL Spektral Yogunluk Gauss Fit Fonksiyonu
6
-20
40

4
Yogunluk [a.u]
Otokorelasyon Sinyali [a.u]
60
3
2
1
0
-1
20
-2
25,0
0
25,5
26,0
26,5
27,0
27,5
28,0
Dalgaboyu [m]
-20
FWHMotokor.=3,29981 ps
Atma uzunluğu= 2,33 ps
-40
-60
-25

3
2
1
0
-1
-30
-2
25,0
25,5
-35
26,0
26,5
5
10
15
20
25
30
35
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
 Sağ panel;
• Optik kavite ayarı -35 µm,
• SEL’in gücü 28mW
• Kısa atmalar – Geniş bant aralığı
• Uzun atmalar – Dar bant aralığı
 Kavite senkronizasyonu ile atma uzunlukları istenilen şekilde ayarlanabilir.
32
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
27,5
FWHMotokor.=8,03229 ps
Atma uzunluğu= 5,67 ps
-40
Gecikme [ps]
Sol panel;
Optik kavite ayarı -5 µm,
SEL’in gücü 63 mW
𝐿 = 11,5305 𝑚 = 13 𝑀𝐻𝑧 = 77 𝑛𝑠
27,0
Dalgaboyu[m]
-45
0
Gecikme [ps]

•
•
•
4
Yogunluk [a.u]
5
Otokorelasyon Sinyali [a.u]
80
SEL Spektral Yogunluk
SEL Spektral Yogunluk Gauss Fit Fonksiyonu
5
Farklı optik kavite uzunluk ayarları için IR spektrum;
6
L
L
L
L
5
Yogunluk [a.u]
4
3
2
=
=
=
=
-5 m
-15 m
-25 m
-35 m
1
0
-1
-2
25,0
25,5
26,0
26,5
27,0
27,5
Dalgaboyu [m]
Sonuç olarak;
• Bir diyagnostik masasında bulunması gereken, SEL’in hizalanmasını
ayarlamak için He-Ne lazeri,
• Aynaların, ışın ayırıcıların, spektrometrenin, dedektörlerin, ışın
zayıflatıcının, pencerelerin, polarizasyon dönüştürücünün, Nd:Vanadat lazer
sistemi ve plazma anahtar sisteminin, optomekanik bileşenlerin ve
otokorelatörün özellikleri araştırılmış olup THM-TARLA tesisi’nde kurulacak
olan diyagnostik masası için uygun özellikte olanlar belirlenmiştir.
33
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
Dinlediğiniz için teşekkür ederim…
34
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
 Kaynaklar
1. Ketenoğlu, B., “CLIC Drive Beam’e Dayalı SASE FEL”, CERN TURK FORUMU (CERNTR) Europe/Zurich,
(2007).
2. Lehnert, U., Michel, P., Seidel, W., Stehr, D., Teichert, J., Wohlfarth, D., Wünsch, R., “Optical Beam
Properties and Performance of the MID-IR at ELBE ”, 27TH International Free Electron Laser
Conference, Stanford, California, USA, 287 (2005).
3. Yavaş, Ö., "Hızlandırıcı Fiziği Ders Notları", Ankara Üniversitesi, Ankara, (2009).
4. http://phys.strath.ac.uk/alpha x/Assets/images/fel.jpg, (2006).
5. Arslan, M., "İkincil Harmonik Üretim Deneyinin Kurulması", Yüksek Lisans
Tezi, Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 1, 4-7, 17-18, (2009).
7. Xu, J., Knippels, G.M.H., Oepts, D., van der Meer, A.F.G., “A far-infrared
broadband (8.5-37µm) autocorrelator with sub-picosecond time resolution
based on cadmium telluride”, Optics Communications, 197: 379-383 (2001).
8. İnternet: ELBE-Center for High Power Radiation Sources with FEL, Logbook,
https://www.hzdr.de/db/!Elbe.Logbook.Liste, (2013).
9. Brunken, M., Casper, L., Genz, H., Hessler, C., Khodyachykh, S., Richter, A., “A compact
autocorrelator for the wavelength range between 4 and 10 µm” , Optics &Laser
Technology, 35: 349-353 (2003).
10. İnternet: Thorlabs, Optical Elements, Filters
http://www.thorlabs.com/NewGroupPage9.cfm?ObjectGroup_ID=3695,
(2013).
11. İnternet: Türk Hızlandırıcı Merkezi, THM IR-SEL Tesisi
http://thm.ankara.edu.tr/?bil=bil_icerik&icerik_id=123, (2011).
12. Arıkan, P., "THM TARLA Tesisi Deney İstasyonları ve Kullanıcı Potansiyeli", XI. Türk
Hızlandırıcı Merkezi YUUP Çalıştayı, Ankara Üniversitesi Hızlandırıcı Teknolojileri 35
Enstitüsü, Ankara, 26, (2012).
Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5