"Fotonica degli alti campi per la generazione
di radiazione X ad impulsi ultracorti"
Intense Laser Irradiation Lab.
Leonida A. Gizzi
CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE
Istituto per i Processi Chimico-Fisici, Pisa, Italy
Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006.
The ILIL GROUP
People
• Antonio GIULIETTI (CNR)*
• Danilo GIULIETTI (Univ. Pisa)*
• Leonida A. GIZZI (CNR)*
• Paolo TOMASSINI (CNR)*
• Marco GALIMBERTI (CNR)*
• Luca LABATE (CNR)*
• Petra KOESTER (CNR & Univ. of Pisa)
• Tadzio LEVATO (CNR & Univ. of Pisa)
• Andrea GAMUCCI (CNR & Univ. of Pisa)
• Walter BALDESCHI (CNR)
• Antonella ROSSI (CNR)
*
Also associated with INFN, the Nat. Institute of Nuclear Physics
http://ilil.ipcf.cnr.it
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Istituto per i Processi Chimico-Fisici
Area della ricerca CNR, Pisa
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Outline
1. X-RAYS FROM LASER-PLASMAS:
Studies on X-ray Emission Dynamics
2. APPLICATIONS OF LP X-RAY SOURCES:
Monochromatic µ-Imaging for Differential Absorption
3. R&D ON ULTRAFAST, LASER-DRIVEN X-RAY
SOURCES: Preliminary results and future experiments
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Basic hydrodynamics of laser-solid
interactions
X-ray emission from laser-solid interactions occurs in a narrow layer
at the critical density
Atomic--physics issues can be investigated via X-ray emission using
this interaction scheme
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X-ray emission from laser-plasmas: recent results …
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Transient ionization in laser-plasmas
Ionization from a charge state Z to a charge state Z+1
NZ : population of charge state Z
ScZ and SRZ : collisional and photo - ionisation rate from charge state Z
Z 1
Z 1
 3b
and  RR
: three - body and rad. rec. rate from charge state Z  1
10 -8
Calculations show that
relaxation time from He-like to
H-like Al is comparable to the
rise-time of nanosecond
pulses
Relaxation Time (s)



n e=1.0 10 21 cm -3
Be-li ke to Li l ike Al
Li-l ike to He l ike Al
He-li ke to H l ike Al
10 -9
10 -10
10 -11
10 -12
0
200
400
600
800
Electron Temperature (eV)
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1000
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Detailed description
Full description of transient ionisation in plasmas requires that both
atomic physics and hydrodynamics are taken into account.
Hydrodynamic properties of plasmas (electron density and
temperature, expansion velocity etc.) can be modelled using
Lagrangian or Eulerian numerical codes
Examples of Hydrodynamic codes
Medusa[1] 1-D
Pollux[2] 2-D
Examples of Atomic Physics codes
RATION/FLY[3]
Similarly, a description of atomic physics and X-ray emission
properties of laser-plasmas can be obtained from numerical
codes that account for a collisional-radiative equilibrium
[1] Christiansen et al., Comput.Phys.Commun. 7, 271 (1974)
[2] Pert G.J., J. Comput. Phys. 43, 111 (1981)
[3] Lee et al.., J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 32, 91 (1984)
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2D Map of X-ray emission
Map of the electron temperature of the plasma produced by laser irradiation of a solid Al
target at the peak of a 3ns gaussian laser pulse as predicted by POLLUX
Laser
Intensity on target:
1E14 W/cm2
Pulse duration:
3 ns gaussian
Laser focal spot:
8µm
Target:
50 µm thick Al
X-ray emissivity is calculated from electron
density and temperature maps given by
POLLUX using the code RATION/FLY
Laser
Al He-
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Hydrodynamics and X-ray emission
X-ray emission at 1.6 keV (He-like Al 1s2-1s2p) from a
plasma produced by laser irradiation of an Al target
Total simulation time: 2 ns
Frame every 200 ps
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10µm
Target surface
Laser pulse, 3ns FWHM
Electron density and
temperature maps obtained
from hydrocode (POLLUX) are
post-processed using timedependent X-ray emission
code (FLY)
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Thin emission layer assumption
Most of X-ray emission is found to originate from a
thin layer of plasma
10 22
1000
Electron Temperature (eV)
Intensity (arbitrary units)
0.8
0.6
0.4
10 20
Te
100
10
2
Ne
3
4
5
6
Time (ns)
7
8
Thin X-ray
emitting region
0.2
0
10 21
-3 )
-1.5
-1.0
-0.5
Peak of Pulse
+0.5
+1.0
+1.5
Electron density (cm
1
40
60
80
100
Distance (µm)
120
140
with well-defined density
and temperature
conditions.
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Transient ionisation in laserplasmas
Observable:temporal evolution of Ly to Heb intensity ratio:
Ly /He b intensity ratio
3ns FWHM pulse is peaked at 4.5 ns
Steady-State versus Time-dependent modelling
1
Early during the
emission, time
dependent and
steady-state model
show different
results. Later on,
both models give an
identical ratio.
SS
0.1
Steady-State
Time-Dependent
TD
0.01
3.5
4
4.5
Time (ns)
5
5.5
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The experimental technique
Tight-focus irradiation of solid target using clean (temporally and spatially) laser pulse
•YLF oscillator, 1053 nm
•Phosphate amplifiers
•3, 7, 20 ns, 2 beams
•Single longitudinal mode
•Intensity on target
•up to: 5 1015 Wcm-2
100.0 mm
High quality, near diffraction
limited focal spot
100.7 mm
101.4 mm
102.1 mm
103.4 mm
10 µm
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f =10 cm
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The X-ray spectra
.
X-ray spectroscopy of K-shell emission from H-like and He-like Al ions
5
3
CCD

2
Filter
Shield
0.7 mm Pb
Log(Intensity(A.U.))
4
1
X-ray spectra must be resolved in time to obtain the
temporal evolution of H/He line ratios early during
irradiation. An X-ray streak-camera is used.
x
Crystal
Lens

Laser
Target
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1 ns
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Raw data at low sweep speed
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Cross-calibration of spectra
Corrected and calibrated spectrum of early-stage
X-ray emission at higher temporal resolution
Crosscalibration
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Simultaneous time integrated
spectrum is taken along an
equivalent line of sight
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EXPERIMENTAL RATIO vs TIME
Ly to Heb intensity ratio from time-resolved X-ray spectra
1.4
Ly /He b intensity ratio
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
3.5
4
4.5
Time (ns)
5
5.5
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Evidence of transient ionisation
Ly /He b intensity ratio
3ns FWHM pulse is peaked at 4.5 ns
Temporal evolution of Ly to Heb intensity ratio:
Steady-State versus Time-dependent modelling
Early during the
emission, time
dependent and
steady-state model
show different
results. Later on,
both models give
identical ratio.
1
SS
0.1
Steady-State
Time-Dependent
TD
0.01
3.5
4
4.5
Time (ns)
5
5.5
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Evidence of transient ionisation
Ly /He b intensity ratio
3ns FWHM pulse is peaked at 4.5 ns
Temporal evolution of Ly to Heb intensity ratio:
Experiment versus SS/TD modelling
Experiment
1
Early during the
emission, time
dependent and
steady-state model
show different
results. Later on,
both models give
identical ratio. Early
stage experimental
ratio agrees well
with td calculations.
SS
0.1
Experimental
Steady-State
Time-Dependent
TD
0.01
3.5
4
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4.5
Time (ns)
5
5.5
L.A.Gizzi et al., Letter on Phys. Plasmas, (2003); L.Labate et al; Phys.
Plasmas (2005).
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Monochromatic µ-imaging with
curved crystals
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Applications of LP X-ray sources:monochromatic µ-imaging …
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X-ray Crystal Imaging Microscope
*)
OC  R
OS  a
OI1  p
OI 2  q
“Image plane” at a distance q from the crystal
given by the condition of
equal vertican and horizontal magnification :
 rh (q  bh )
rv (bv  q)
 Mh  Mv  i
ih (a  p)
 v (a  p)
Focusing condition:
 rh bh  ih a
 bv   a
r
v
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i
v
Source on Rowland circle:
q

R
sin  o
M  cot 2  o
1
1 p/ a
*)Pikuz et al., Laser and Particle Beams,19:285, 2001
Sanchez del Rio et al., Review of Scientific Instr., 72:3291, 2001
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Reflected Wavelengths
Horizontal plane
Vertical plane
a>a(R)
a<a(R)
R = 150 mm
0= 0.894 rad
2d = 19.9Å
a<a(R)
a>a(R)
x/mm
y/mm
Source on Rowland Circle: a = a(R)
When the source is on the Rowland Circle,
the reflected spectral range is minimum:
the crystal behaves as a monochromator.
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Ray-tracing simulations of X-ray µ-radiography#)
XCIM (X-ray Crystal Imaging
Microscope*) scheme allows
monochromatic radiography of
thin objects with µm resolution
to be obtained
XCIM scheme is based
upon the use of a
spherically bent crystal
*) T.A. Pikuz et al., Laser Part. Beams 19,285 (2001);
M. Sanchez del Rio et al., Rev. Sci. Instrum. 72, 3291
(2001)
X-ray Crystal Imaging Microscopy scheme
Ray-tracing simulations of the system with the ORTO ray-tracing code**):
C++, fully object-oriented code
arbitrary shapes and sizes of the source can be considered
different forms of the crystal rocking curves can be taken into account
typical running times: 5min for 5x106 sampled rays (Linux based P4)
#) L.Labate
et al., Ray-tracing simulation of an X-ray optics based upon a bent
crystal for differential absorption applications, LPB, 2004.
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Ray-tracing simulations: horizontal focus
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X-ray intensity
distribution at the
image point using an
Al plasma source and
the crystal set to
focus near the He
line
(no objects)
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Spherical aberration and
astigmatism: intensity
distribution around the
horizontal focus (without
objects)
Al He line
Al IC line
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Ray-tracing simulations: imaging a test object
Ray-tracing of the XCIM scheme with Fresnel zone
plate as a test object
X-ray pattern at different
crystal-detector distances
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The X-ray source
15 µm laser spot on Cu target at 6E12 W/cm2
THE DRIVING LASER
•Nd:YAG oscillator
• 6 ns pulse duration
•10 Hz rep rate
•1064, 532 nm
• up to 500 mJ/pulse
• up to 5 1013 W/cm2 on target
• PC contr. Sync with target
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View: 45° from laser axis
≈25 µm FWHM source size
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Monochromatic X-ray Beam from LP X-rays
Central wavelength
on crystal:
IC
He 
Target: Al, Intensity on target: 2E13W/cm2
1
a)
07.742Å
0.5
0
b)
07.748Å
c)
07.750Å
Lithium-like
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L.A.Gizzi et al.., Towards differential micro-imaging using a
laser-plasma soft X-ray source, LPB (2004); S.Laville et al., NIM A (2005)
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Test image with XCIM configuration
Image of a Frenel Zone plate with a monochromatic beam at 1.6 keV (Al He- line)
100 µm

I1
 iH
O 
 rH
Vi
Rowland
circle
FH
Object
« imaging »
I2
plane
CCD Image
Vr
100 µm
S
FV
Image resolution:
xh 16.8  2.3m; xv  52.3 9.1m
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Contact image on X-ray film
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Source characterisation using a zone-plate
A Fresnel zone-plate with known geometrical properties is used as a sample to
determine magnification and resolution properties of the imaging system
X-ray image of a zone-plate: M=4.7
1
Resolution definitions using a step-function
Source Profile:
( xxo ) 2

2 2
f (x)  Ae
Sample Profile:
g(x)   (x  sO )
 Image profile:
0

Radial line-out of image
2500
 x  x  
o
I(x)  a erf 
 2 M  1 
  d


Space resolution condition:
x = 2
intensitˆ(u.a.)
2000
1500
A 26 µm (FWHM) source size
(PLX@ILIL) yelds a resolution of
approx. 20µm at the object plane
1000
500
0
0
500
1000
1500
distanza (m)
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2000
2500
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DIFFERENTIAL ABSORPTION
An example: bromine and carbon
Br
C
1
2
Difference in optical depth:
 I (x, y) 
 I (x,y) 
1
2


t(x, y)  ln 

  ln 

    i  i x, y,z dz
I01 (x, y)
 I02 (x,y)  i
campione
( )
   
ln

  2
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2  I 2

I 
  


 I  
I/I = 10-4
 = (1506  10)cm2/g
Detection Limit: =1.310-7g/cm2
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DIFFERENTIAL ABSORPTION OF A TEST SAMPLE
Incident beam
1 = 7.75 Å
1
0.2 l of a
0.265 g/ml
1 solution of
LiBr
washer
0

1
0
Transmitted beam I1
=1210.5 cm2/g
EXPECTED OPTICAL DEPTH
Incident beam
2 = 7.78 Å
2
substrate
1
DIFFERENCE  t = -0.9±0.1
0
MEASURED OPTICAL DEPTH
1

0
Transmitted beam
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DIFFERENCE
 m m 
I1
I02 
ln 
m m   1.1 0.8
 I01 I2 
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ELEMENTAL 2D MAPPING
Measurements on test-samples obtained from LiBr solutions with
two different average concentrations
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P. Koester et al.., Quantitative analysis … submitted to Appl. Phys. B (2005).
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ACCESSIBLE PHOTON ENERGIES
Up to Z=22-23, He- K-shell
emission lines can be obtained
using small 10 Hz Nd lasers.
At higher Z, emission originate
from L and M shells
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Hydrogen-like
Element 2p1/2
2p3/2
13 Al
1727.7
1729.0
14 Si
2004.3
2006.1
15 P
2301.7
2304.0
16 S
2619.7
2622.7
17 Cl
2958.5
2962.4
18 Ar
3318
3323
19 K
3699
3705
20 Ca
4100
4108
21 Sc
4523
4532
22 Ti
4966
4977
23 V
5431
5444
24 Cr
5917
5932
25 Mn
6424
6442
26 Fe
6952
6973
27 Co
7502
7526
28 Ni
8073
8102
29 Cu
8666
8699
30 Zn
9281
9318
31 Ga
9917
9960
Helium-like
2p 3P1
2p 1P1 (eV)
1588.3
1598.4
1853.9
1865.1
2140.3
2152.6
2447.3
2460.8
2775.1
2789.8
3124
3140
3493
3511
3883
3903
4295
4316
4727
4750
5180
5205
5655
5682
6151
6181
6668
6701
7206
7242
7766
7806
8347
8392
8950
8999
9575
9628
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“Tunability” of the PLX source
Chlorine
Copper
Silicon
10
40
10
3.2
3.3
3.4
He 
IC
2
2
Li 1s 2p-1s 2p
Ly 
1
21
He 1s2p P-2p S
1
21
He 1s2s S-2s2p P
3
23
He 1s2s S-2s2s P
He b
5
Cl He
20
6
He 
10
Copper
He 
He 
Intensitˆ[A.U.]
2
Date: 14/03/02
# shot: 20
60
0
3.1
7
sat Li 1s 2p-1s2p3p
10
Cl Heb
80
Cl He
Intensity [A.U.]
100
Ca He
Calcium
3.5
3.6
3.7
3.8
4
5
3.9
5.5
 [ˆ
]
6
6.5
7
Wavelength [Å]
Titanium
Alluminium
Copper
Moliben.
2
3
4
5
6
7
8
Wavelength (Å)
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9
10
11
12
13
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R&D on K-apha, laser driven, ultrafast X-ray sources
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Sorgenti X ad impulsi ultracorti
• Sorgenti K da Plasmi-Laser
• Scattering Thomson[1]
• X-ray Free Electron Laser[2]
• Slicing (SR)
Studi di fenomeni su scale temporali e spaziali atomiche
•Cristallografia risolta nel tempo[3]
•Studi dinamici di transizioni di fase[4]
•Applicazioni bio-mediche[5]
•Nanolitografia
•…
Referenze:
[1] P. Tomassini et al. Applied Physics B, 80:419–436, 2005.
[2] L. Serafini et al. Nuclear Instruments & Methods A, 528(1-2):586–590, 2004.
[3] A. Rousse et al. Reviews of Modern Physics, 73:17–31, 2001.
[4] K. Sokolowski-Tinten et al. Nature, 422:287–289, 2003.
[5] R. Neutze et al. Nature, 406:752–757, 2000.
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Sorgenti X da interazione laser-solido
• Dimensione della regione di emissione paragonabile alla
dimensione dello spot focale del laser[1].
• Durata dell’emissione K paragonabile alla durata
dell’impulso laser[2,3].
• Emissione isotropa.
• Efficienza di conversione di energia laser in radiazione K
fino a 10-4[4].
• Frequenza di ripetizione fino ai kHz.
• Sistemi compatti (table top)
Referenze:
[1] Ch. Reich et al. Physical Review E, 68:056408, 2003..
[2] J. Limpouch et al. Czechoslovak Journal of Physics, 52:D342–D348, 2002.
[3] Ch. Reich et al. Physical Review Letters, 84:4846, 2000.
[4] H. S. Park et al. Review of Scientific Instruments, 75(10):4048–4050, 2004.
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BASIC MECHANISM: INNER SHELL TRANSITIONS
The interaction of focused, intense CPA
(Chirped Pulse Amplification) laser pulse with
a solid target produces “hot” electrons that
penetrate in the cold target substrate and
generate incoherent X-ray emission (K-shell
transitions).
K-a X-ray
emission
Ionised plasma X-ray
emission
Laser
Laser heated plasma
Fast electron heated
solid
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Fast electrons
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Generazione di radiazione Ka
- generazione di onde
elettrostatiche
longitudinali (onde di
plasma)
- smorzamento non
collisionale delle onde o
accelerazione (WF,
SMWF, Pond. Acc. …)
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- generazione di elettroni
‘veloci’.
- ionizzazione della K-shell degli atomi del bersaglio per impatto degli
elettroni
- transizioni radiative > emissione di righe K
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Assorbimento risonante
laser
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Onda
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di plasma
densità critica
Polarizzazione della radiazione laser nel piano di incidenza (p) e
angolo di incidenza non-zero.
=>
Campo elettrico del laser ha una componente lungo il gradiente di
densità del plasma.
=>
Generazione di un’onda di plasma in vicinanza della densità critica,
dove pe= Laser.
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Caratteristiche principali
•Il regime di interazione di un impulso laser intenso ed ultracorto (decine
di fs) è caratterizzato da un plasma denso con gradienti molto ripidi. La
generazione di elettroni ‘veloci’ e quindi la produzione di radiazione K è
particolarmente efficiente per impulsi laser ultracorti [1].
•Efficienza di conversione di energia laser in radiazione K e caratteristiche
spaziali dell’emissione X sono stati misurati per un ampio range di
intensità della radiazione laser (1015 -1019 W/cm2 ) [2,3,4].
•Dimensioni della regione di emissione K da poche volte a diverse decine
di volte le dimensione dello spot focale del laser sono state misurate
[3,5,6].
•Misure di correlazione indicano una durata dell’impulso X di alcune
centinaia di femtosecondi [7].
Referenze:
[1] D. Salzmann et al. Physical Review E, 65:036402, 2002.
[2] Ch. Reich et al. Physical Review Letters, 84:4846, 2000.
[3] D. C. Eder et al. Applied Physics B, 70:211–217, 2000.
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[4] F. Ewald et al. Europhysics Letters, 60(5):710–716, 2002.
[5] Ch. Reich et al. Physical Review E, 68:056408, 2003.
[6] G. Pretzler et al. Applied Physics Letters, 82(21):3623–3625, 2003.
[7] T. Feurer et al. Physical Review E, 65:016412, 2001.
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Experimental technique
10 Hz rep rate
fs laser pulse
Optical spectroscopy
on reflected and
diffused radiation
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The femtosecond laser system
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Laser pulse width measurements
photomultiplier
Zero-signal auto-correlator for high
dynamic range measurement
•Aimed at >106 peak-power to ASE
contrast ratio
10
1
Ti:Sa oscillator pulse
BBO crystal
Time scan
Autocorrelation signal (A.U.)
10
0
Gaussian fit
10
10
10
10
10
-1
-2
-3
-4
-5
-800 -600 -400 -200
The SH
autocorrelator
0
200
400
Time (fs)
Laser
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M.Galimberti et al., IPCF-Report 2004
600
800
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Autocorrelator for ASE characterisation
photomultiplier
Zero-signal auto-correlator for high
dynamic range measurement
•Aimed at >106 peak-power to ASE
contrast ratio
Amplified Pulse
BBO crystal
Time scan
Gaussian fit
Laser
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M.Galimberti et al., IPCF-Report 2004
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Autocorrelator for ASE characterization
(200 ps range)
100
10-1
Normalised Output
10-2
10-3
10-4
10-5
10-6
10-7
10-8
10-9
10-10
10-11
-2 10-10
-1.5 10-10
-1 10-10
-5 10-11
0
Time (fs)
Measurement carried out by Amplitude Tech. using a SEQUOIA autocorrelator
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Beam quality
Profilo spaziale dell’impulso laser
Piano equivalente con lente con focale di ca. 100 cm
3000
1000
Half Width (1/e) (µm)
FWHM (µm)
Intensity (Arbitrary units)
2500
• 12 mJ
• 67 fs
•  15 m
2000
1500
1000
500
Spot size (µm)
800
0
300
600
320
340
360
380
400
Position (µm)
400
200
0
95 100 105 110 115 120 125 130 135
Distance from lens (cm)
Spot focale di FWHM=15m
per la lente di 14cm focale
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Intensità sul
bersaglio fino a
1017 W/cm2
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Raw data from X-ray crystal spectrometer
Crystal tuning spectrum using resonance
line emission from He-like Aluminium (Healpha line@1588 eV) from nanosecond
irradiation (reference emission).
He
hn
Same spectral range, with
femtosecond pulse and
poor compression (≈10 ps
pulse).
Single-pixel noise arises from
K-alpha photons and/or
energetic electrons
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K(1486.70 eV)
hn
He
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Single-Photon X-ray Spectroscopy (SPS)
Spectral analysis of X-rays generated by femtosecond laser-plasma
interactions is performed by using a low noise CCD array to measure the
charge produced by each photon
The X-ray flux incident of the
CCD array is controlled to
ensure that the average
number of photons per pixel is
much less than one.
•
The image shows the
result obtained with a Peltier
cooled, 16 bits ccd array, after
exposure to X-rays produced
by a single femtosecond lasertarget interaction event.
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CCD Calibration set-up (<2 keV)
Nd:YLF laser
focusing lens
PIN diode(*)
crystal
Al target
Al filter
The laser plasma
source at ILIL (PLX)
is used to produce Xrays
A flat TlAP crystal
in a first-order
Bragg configuration
is used as dispersing
element to select a
narrow-band beam
The total crystal to CCD camera distance is about 1m in order to:
get a low photon flux (0.02 photons/pixel)
collect a monochromatic beam onto the CCD sensor (dE/E ~ 5x10 -2)
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Algorithm
Event identification
Subtraction of local background
Sum of charge over pixels of each event
Histogram of events for each class
(one pixel, two pixels etc. …)
L. Labate et al., Nucl. Instr. and Meth. A. 495, 148 (2002)
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Calibration histograms
1320 eV
70
1550 eV
1140 eV
50
Counts
Response of
CCD to
monochromatic
X-ray photons
at low (<2keV)
photon energy
60
40
30
20
10
0
-10
20
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40
60
80
ADC levels
100
120
140
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CCD Calibration curve for SPS
Calibration at higher (>2keV) energy was performed using radioactive sources
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Fast electron generation
10000
X-ray intensity (A.U.)
Target: Al (massive)
Al He/K-alpha
(1486.70 eV)
Higher
intensity
Lowervs.
intensity
High
Low Intensity
1000
100
10
1
1000
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104
Photon energy (eV)
105
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High-energy continuum emission
10000
X-ray intensity (A.U.)
Target: Massive Al
1000
KTe≈1.5keV
100
KTe≈10keV
10
1
4000
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8000
1.2 10 4 1.6 10 4
Photon energy (eV)
2 10 4
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K-alpha emission from Si target
20
X-ray intensity (A.U.)
Target: Si plate
16
12
Si K-alpha
(1739 eV)
Si K-beta
(1836 eV)
8
4
1000
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1500
2000
2500
Photon energy (eV)
3000
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K-alpha emission from Titanium target
X-ray intensity (A.U.)
700
600
Target: Titanium (solid)
Escape (4510.84-1739,98 eV=2270,86)
500
400
Ti K-alpha
(4510.84 eV)
300
200
100
0
100
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1000
10 4
10 5
Photon energy (eV)
10 6
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La sorgente K
Misure con una CCD in regime a singolo fotone[1]
-> risoluzione spettrale
-> misura assoluta del flusso di fotoni
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Acquisizione del segnale X ottenuto
dall’irraggiamento di un foglio di Ti con un
singolo impulso del laser.
Referenze:
Spettro ottenuto dall’analisi di 150 acquisizioni.
-> 107 fotoni/impulso laser
[1] L. Labate et al. Nuclear Instrument and Method A, 495:148, 2002.
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Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006.
Open issues
… da affrontare nei prossimi esperimenti
a due fasci
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Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006.
Controllo della “sorgente”
•L’interazione è ricca di fenomeni fisici complessi come la generazione di
instabilità [1], la produzione di campi elettrici e magnetici molto intensi [2] ed
effetti relativistici [3].
•I dati sperimentali non possone essere spiegati tenendo conto soltanto
dell’intensità del laser.
•La presenza di eventuali preimpulsi e della emissione spontanea amplificata
(ASE) può ionizzare il materiale prima dell’arrivo dell’impulso principale anche
per laser con un contrasto alto (10-7 - 10-8), per cui l’impulso ai femtosecondi
interagisce con un plasma piuttosto che con un solido. Le condizioni di
interazione possono cambiare significativamente per profili diversi del preplasma
[4].
•Le dimensioni della zona di emissione di radiazione dipendono dalle proprietà
della popolazione elettronica “veloce” e dall’eventuale presenza di campi
magnetici autogenerati
Referenze:
[1] William L. Kruer. The physics of laser plasma interactions. The advanced book program. Addison-Wesley publishing company, 1988.
[2] L. A. Gizzi et al. Laser Part. Beams, 13, 1995.
[3] Scott C. Wilks and William L. Kruer.IEEE Journal of Quantum Electronics, 33(11):1954–1968, 1997.
[4] S.CONSIGLIO
Bastiani et
al. Physical
Review
E, 56(6):7179–7185, 1997.
NAZIONALE
DELLE
RICERCHE
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Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006.
HIGH RESOLUTION SPECTRA
Identification …
X-ray intensity (A.U.)
500
Target: Titanium (Solid)
400
K (4.51 keV)

300
200
K (4.93 keV)
b
100
0
4000
4400
4800
Photon energy (eV)
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5200
Interplay between plasma
emission and K-alpha emission
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FORWARD-EMITTED CHARGED PARTICLE
DETECTION (preliminary)
40°
Laser intensity
on target
2 x 1017 W/cm2
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Dose is released
along the axis
perpendicular to
the target.
Dose-sensitive
radiation detector
(radio-chromic film)
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Elettroni “veloci”
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electrons
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Rivelazione degli
elettroni con film
radiocromici
• emissione in direzione
normale alla superficie
del bersaglio
• semi-apertura angolare:
orizzontale: 20
verticale: 15
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Elettroni “veloci”
Simulazione Montecarlo
per calcolare la perdita di
energia degli elettroni
negli strati sensibili dei
film radiocromici [1,2].
Gli elettroni emessi dalla
superficie posteriore del
bersaglio hanno energia
tra 40 e 100 keV.
Referenze:
[1] GEANT4: LCB Status Report/RD44, CERN/LHCC-9844 (1998)
[2] M. Galimberti et al. Review of Scientific Instruments,
76:053303, 2005.
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Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006.
Effetti di polarizzazione
Dipendenza
dell’efficienza di
conversione di
energia laser in
radiazione X dalla
polarizzazione della
radiazione laser
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Controllo tramite spettroscopia ottica
Spettro della radiazione riflessa dal bersaglio (steel, solid)
1 104
100000
Data from solid target (steel)
2
Calibration
Intensity (A.U.)
3/2
6000
1000
4000
5/2
100
2000
532nm
633nm
10
400
500
600
Calibration intensity (A.U.)
8000
10000
0
700
800
Wavelength (nm)
La presenza di armoniche intere (2w) o semi-intere (3/2 e 5/2 w)
rivelano aspetti sulla dinamica dell’interazione.
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Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006.
Controllo tramite spettroscopia ottica
L’analisi fine degli spettri ottici può mettere in evidenza
fenomeni di propagazione in plasmi preformati.
1
Thin foil target:
40 µm polypropylene
Intensity (A.U.)
0.8
Thick target:
solid steel
0.6
0.4
0.2
0
500
510
520
530
540
550
Wavelength (nm)
Compari son between s p e c ular se c ond harmoni c emis sion
from solid (metal) target and thin foil pla stic target. The
spe c tral width ( FW HM) in the fi rst c a se is 7.8 nm, while
in the se c ond c a se (thin fo il) this width is 4.6 nm.
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Upgrade of the fs-system
Doppio fascio: >2TW pump beam e >0.1 Tw probe beam
I fasci sono compressi indipendentemente: possibilità di modificare la
durata degli impulsi
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Conclusioni e prospettive
• Osservata radiazione K dall’irragiamento di Al, Si e Ti
• La radiazione X emessa è stata risolta spettralmente e il flusso
totale di fotoni è stato misurato mediante l’utilizzo di una CCD in
regime a singolo fotone.
• Caratterizzazione degli elettroni emessi dalla superficie posteriore
del bersaglio mediante l’utilizzo di film radiocromici.
•Acquisizione di spettri X ad alta risoluzione spettrale con uno
spettrometro basato su un cristallo curvo.
•Caratterizzazione delle condizioni di interazione (preplasma creato
da preimpulsi) attraverso simulazioni idrodinamiche e misure di
spettroscopia ottica
•Caratterizzazione spaziale della sorgente K 
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