Project title: Optimized design of 2D and 3D structured targets for ultra-intense laser-induced secondary sources used for materials in extreme environments/ eTARGET
Contract no.: 032_ELI-RO/2025
Period: 30/10/2025 - 31/12/2027 (26 months)

Contact Person:
Project Director: Dr. Marian ZAMFIRESCU

Coordinator:
National Institute for Laser, Plasma and Radiation Physics - INFLPR
Atomiștilor 409, Măgurele, Romania

Partners: IMT, ISS, IFIN-HH

Abstract :

In laser-driven particle acceleration experiments, new experimental configurations are explored in order to demonstrate novel effects in fundamental research, or new target geometries are tested to enhance already demonstrated parameters, such as accelerated particle energies, or to optimize the spatial and spectral distribution of secondary beams as required by specific applications. As mentioned in the ELI-NP TDR (sections “3.1.2 Target fabrication and manipulation requirements” and "3.3 Targets and target systems"), the requirements for solid targets take into account the following aspects: the fabrication technology must be well established; various types of solid targets are considered in experiments, such as thin foils, foam targets, tape targets, and 3D-shaped targets; the target handling system must be fully automated and equipped with a high-resolution microscope for in-situ alignment. Debris mitigation or minimization, for the protection of expensive optics and diagnostics inside the interaction chamber, is also an essential consideration. Following the target requirements specified in the ELI-NP TDR, our research is focused on providing a complete solution for the design, optimization, fabrication, characterization, manipulation, and final validation in real experiments of the proposed targets. To this end, we employ Particle-in-Cell simulations within an advanced optimization layer that allows us to identify optimal but experimentally realistic 2D and 3D configurations of micro- and nanostructured solid targets, such as ultra-thin membranes made from different materials combined with 3D cone-shaped microstructures produced by 3D laser lithography. The targets will be fabricated using established technologies such as optical lithography, e-beam deposition, pulsed laser deposition, Two-Photon Photopolymerization (TPP), and laser micro-machining. All fabrication steps will be documented to ensure reproducibility and traceability of the manufactured targets. The validation of the fabricated targets will be carried out during experimental sessions at CETAL-PW (with powers on the order of hundreds of TW) and at the ELI-NP facility (with powers exceeding 1 PW). As a potential application of the generated secondary sources, we consider studies on the behavior of materials in extreme environments. Sets of materials commonly used in semiconductor devices and photovoltaics will be exposed to ionizing radiation, and their structural modifications will be evaluated. In addition, the optical and electronic properties of metal-oxide materials (ex: ZnO, HfO2, SiO2, TiO2), with controlled defects formation induced by ionizing radiation, will be investigated. We expect this research to be of significant interest in various fields, from the engineering of advanced optical coatings to fundamental studies in material science. At the end of the project, we expect to increase the range of the available technologies and the type of the targets that we are able to provide for ultra-intense laser infrastructures like ELI-NP and CETAL-PW. A possible transfer of knowledge to companies that can be involved in mass production of certain type of targets is taken into consideration. The preparatory experiments from this project and the result obtained at CETAL-PW could offer an important input for ELI-NP in order to prepare the experiments on solid targets at peak power larger than 1 PW.

Objectives:

Titlul proiectului: Proiectare optimizată a țintelor structurate 2D și 3D pentru surse secundare generate de lasere ultra-intense utilizate în studiul materialelor în medii extreme / eTARGET
Contract : 032_ELI-RO/2025
Perioada: 30/10/2025 - 31/12/2027 (26 luni)

Persoana de contact:
Director Proiect: Dr. Marian ZAMFIRESCU

Coordonator:
Institutul Național pentru Fizica Laserilor, Plasmei și Radiației - INFLPR
Atomiștilor 409, Măgurele, ROMÂNIA

Parteneri Proiect: IMT, ISS, IFIN-HH

Rezumat:

In experimentele de accelerare a particulelor bazate pe laser sunt explorate noi configurații experimentale, fie pentru a demonstra efecte noi în cercetarea fundamentală, fie pentru a testa noi geometrii de ținte menite să îmbunătățească parametrii deja demonstrați, cum ar fi energiile particulelor accelerate, sau pentru a optimiza distribuția spațială și spectrală a fasciculelor secundare, conform cerințelor unor aplicații specifice. Așa cum este menționat în TDR-ul ELI-NP (secțiunile „3.1.2 Target fabrication and manipulation requirements” și „3.3 Targets and target systems”), cerințele pentru țintele solide iau în considerare următoarele aspecte: tehnologia de fabricație trebuie să fie bine stabilită; în experimente sunt luate în calcul diferite tipuri de ținte solide, precum folii subțiri, ținte cu densitate scăzută, ținte de tip bandă și ținte cu forme 3D; sistemul de manipulare a țintelor trebuie să fie complet automatizat și echipat cu un microscop de înaltă rezoluție pentru alinierea in situ. Reducerea sau minimizarea debriurilor rezultate în urma interacției, pentru protecția opticii și a diagnosticelor costisitoare din interiorul camerei de interacție, reprezintă de asemenea un aspect esențial. În conformitate cu cerințele pentru ținte specificate în TDR-ul ELI-NP, cercetarea noastră este axată pe furnizarea unei soluții complete pentru proiectarea, optimizarea, fabricarea, caracterizarea, manipularea și validarea finală în experimente cu țintele propuse. În acest scop, utilizăm simulări Particle-in-Cell într-un cadru avansat de optimizare, care ne permite să identificăm configurații optime, dar experimental realiste, 2D și 3D, ale țintelor solide micro- și nano-structurate — precum membrane ultra-subțiri realizate din materiale diferite, combinate cu microstructuri 3D în formă de con, produse prin litografie laser 3D. Țintele vor fi fabricate utilizând tehnologii consacrate, precum litografia optică, depunerea cu fascicul de electroni, depunerea laser pulsată, fotopolimerizarea cu doi fotoni (TPP) și micro-prelucrarea cu laser. Toți pașii de fabricație vor fi documentați pentru a asigura reproductibilitatea și trasabilitatea țintelor produse. Validarea țintelor fabricate va fi realizată în timpul sesiunilor experimentale de la CETAL-PW (cu puteri de ordinul sutelor de terawați) și la infrastructura ELI-NP (cu puteri care depășesc 1 petawatt). Ca aplicație potențială a surselor secundare generate, sunt avute în vedere studii asupra comportamentului materialelor în medii extreme. Seturi de materiale utilizate frecvent în dispozitive semiconductoare și fotovoltaice vor fi expuse radiațiilor ionizante, iar modificările lor structurale vor fi evaluate. În plus, vor fi investigate proprietățile optice și electronice ale materialelor metal-oxid (ex.: ZnO, HfO₂, SiO₂, TiO₂), cu formarea controlată de defecte indusă de radiații ionizante. Se așteaptă ca această cercetare să prezinte un interes semnificativ în diverse domenii, de la ingineria straturilor optice avansate până la studiile fundamentale din știința materialelor. La finalul proiectului, ne așteptăm să extindem gama tehnologiilor disponibile și tipurile de ținte pe care le putem furniza pentru infrastructuri laser ultra-intense precum ELI-NP și CETAL-PW. Se are în vedere și un posibil transfer de cunoștințe către companii care ar putea fi implicate în producția de serie a anumitor tipuri de ținte. Experimentele pregătitoare din acest proiect și rezultatele obținute la CETAL-PW ar putea oferi un aport important pentru infrastructura ELI-NP, în vederea pregătirii experimentelor pe ținte solide la puteri de vârf mai mari de 1 PW.

Obiective: