Gas-Jet mit Probingobjektiv
Optische Probepulse zur Untersuchung relativistischer Laser-Plasma-Wechselwirkungen
Für die detaillierte Untersuchung relativistischer Laser-Plasma-Wechselwirkungen sind verschiedene Diagnostikmethoden geeignet. Bei allen Methoden kann das Wissen um die zeitlich und räumlich aufgelöste Elektrondichte im Plasma mittels einer Anrege-Abfrage-Technik wichtige Erkenntnisse über die zu untersuchende Wechselwirkung liefern.
Eine Methode zur Untersuchung der Wechselwirkungen ist das optische Probing, bei der die Elektronendichte und somit die Laser-Plasma-Interaktion mit Hilfe einer Hintergrundbeleuchtung ähnlich eines kurzen Blitzes beim Fotoapparat und einem optischen Linsensystem auf einen CCD-Chip abgebildet wird. Wegen der relativistischen Geschwindigkeiten, mit denen sich Phänomene im Plasma verändern können, und der sehr kleinen räumlichen Ausdehnung der zu untersuchenden Strukturen, ist dazu eine hohe zeitliche (Femtosekunden-Skala) und räumliche (Mikrometer-Skala) Auflösung des gesamten Abbildungssystems eine entscheidende Voraussetzung.
Mittels eines Hochintensitätslaser (JeTi-40, JeTi-100, POLARIS) als Anrege- oder Hauptpuls haben wir an unserem Lehrstuhl ein Abfrage- oder Probepulssystem mit ultrakurzer Pulsdauer für jeden der drei Laser entwickelt. Dabei basieren die Probepulssysteme für das JeTi-40- und JeTi-100-Lasersystem auf dem gleichen Prinzip der Kurzpulserzeugung mit Hilfe von Selbstphasenmodulation in einer mit Gas gefüllten Hohlkernfaser, während am POLARIS-System ein Probesystem durch Kurzpulserzeugung in einem Kristall und einem anschließenden nicht-kollinearen optisch parametrischen Verstärker (NOPA) implementiert wurde.
Dabei müssen die Probepulse neben einer ultrakurzen Pulsdauer zur zeitlichen Auflösung der Laser-Plasma-Interaktion noch weitere Kriterien erfüllen. Der Strahldurchmesser des Pulses sollte groß genug sein, um die Interaktionsregion beleuchten zu können und ein homogenes Strahlprofil aufweisen. Die Energie im Probepuls sollte so niedrig sein, dass dieser Puls die zu untersuchende Wechselwirkung nicht beeinflusst und beispielsweise das Target ionisiert, aber hoch genug, um eine gute Ausleuchtung der Interaktion zu gewährleisten. Diese Kriterien wurden mit dem JeTi- und POLARIS-Probesystem jeweils erfüllt.
Die Kombination aus hochintensivem Hauptpuls und ultrakurzem Probepuls zusammen mit einem hochauflösenden optischen Systems ermöglicht beispielsweise die Aufnahme von Schattenbildern der Laser-Plasma-Wechselwirkung mit einer hohen zeitlichen Auflösung, die Bestimmung des lokalen Plasmadichte-Profils für verschiedenste Versuchskonfigurationen oder die Untersuchung von zuvor simulierten relativistischen Prozessen im Plasma.
Probing am JeTi-100 und JeTi-40
Die Erzeugung der ultrakurzen Pulse an den JeTi-Lasersystemen ist eine etablierte Technik, die seit Jahren mit Titan:Saphir-Lasern umgesetzt wird.
Dabei wird ein Teil des Hauptpulses durch einen Strahlteiler abgetrennt mit einer gezackten Blende im Durchmesser verkleinert und anschließend in eine mit einem Edelgas gefüllte Hohlkernfaser (HKF) fokussiert, die durch Selbstphasenmodulation (SPM) Weißlicht mit einem ultrabreiten Spektrum erzeugt. Anschließend werden die durch Dispersion noch zeitlich gestreckten Pulse mittels gechirpter Spiegel und motorisierter Glaskeile auf eine Pulsdauer von wenigen Femtosekunden am Target komprimiert.
Je nach Gasart, Gasdruck und Pulsintensität in der Faser kann die spektrale Verbreiterung des Pulses variiert werden. Das verbreiterte Spektrum ist aufgrund von Interferenzeffekten moduliert, dennoch können Pulse erzeugt werden, die nur 1,5 optischen Zyklen lang sind.
Durch die Nutzung eines Teils des Hauptpulses als Probepuls sind die beiden Pulse intrinsisch synchronisiert.
Im täglichen Gebrauch liefert dieses Probepulssystem Pulse mit 5 fs Pulsdauer und 100 µJ Energie bei einer Zentralwellenlänge von 800 nm und einem Strahldurchmesser von 5 mm.
Die Repetitionsrate des Gesamtsystems beträgt bis zu 1 Hz.
Ansprechpartner:
- Dr. Alexander Sävert
- Carola Zepter
Skizze des JeTi100 Probingsystems
Probing am POLARIS-System
Im Gegensatz zu den JeTi-Systemen, bei denen das dort installierte Probesystem mit bis zu 1 Hz justiert werden kann, liefert das POLARIS-System aufgrund seiner höheren Energie Pulse mit einer Repetitionsrate von 1/50 Hz, weshalb der Hauptpuls als Seed für das Probingsystem ausscheidet. Damit der Probepuls trotzdem mit dem Hauptpuls synchronisiert ist und so der zeitliche Jitter zwischen den beiden Pulsen minimiert wird, wird als Eingangsstrahl in das POLARIS-Probesystem ein Teil des Oszillatorstrahls des POLARIS-Lasersystems verwendet.
Dieser wird durch eine zusätzliche CPA-Stufe verstärkt und kann so für die Erzeugung ultrakurzer Pulse verwendet werden.
Ein Teil des Eingangspulses wird in einen Kristall (YAG) fokussiert, in welchem durch Selbstphasenmodulation Weißlicht mit einem ultrabreiten Spektrum und einer Energie im nJ-Bereich erzeugt wird. Dies wäre zu wenig, um die Interaktion auszuleuchten, weswegen das Weißlicht verstärkt werden muss. Dazu wird der andere Teil des Eingangspulses verwendet der erst in einem Kristall (KDP) frequenzverdoppelt und anschließend in einem weiteren Kristall (BBO) mit dem Weißlicht überlagert wird. In diesem sogenannten nicht-kollinearen optisch parametrischen Verstärker (NOPA) wird über einen Wellenmischungsprozess das Weißlicht verstärkt. Die durch die Dispersion im System zeitlich gestreckten Pulse werden auch hier mittels gechirpter Spiegel komprimiert.
Der NOPA-POLARIS-Probe liefert ultrakurze Pulse (11 fs) mit einer Energie von 20 µJ bei einer Mittenwellenlänge von 820 nm und einem Strahldurchmesser von 1,8 mm.
Darüber hinaus liefert das System 1 mJ, 100 fs Pulse bei 1030 nm und 515 nm, die z.B. zur kontrollierten Plasmaerzeugung genutzt werden können.
Ansprechpartner:
- Dr. Sebastian Keppler
- Dr. Yasmina Azamoun
Skizze des POLARIS Probingsystems