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POLARIS - Petawatt Optical Laser Amplifier for Radiation Intensive ExperimentS

POLARIS ist derzeit das weltweit einzige, vollständig Dioden-ge­pumpte Lasersystem, das Pulsspitzenleistungen von 200 TW erzeugen und für Experimente mit hohen Intensitäten ver­wendet werden kann. Mit POLARIS werden am HI-Jena insbesondere Experimente zur Laser-Teilchenbeschleunigung durchgeführt.

Das Lasersystem ist auf einer Laborfläche von insgesamt 250 m2 aufgebaut. Hier werden die Laserpulse in einem Oszillator er­zeugt, zeitlich gestreckt, dann um mehr als 10 Größenordnungen in ihrer Energie verstärkt und schließlich wieder zeitlich komprimiert. An­schließend werden sie im Experimentierbereich mit einem Parabol­spiegel fokussiert, so dass sie dann für hochintensive Experimente zur Verfügung stehen.

Um die Pulse mit einer Pulsdauer von 100 fs effizient verstärken zu können, ist POLARIS nach dem Prinzip der Chirped-Pulse Amplification (CPA) aufgebaut. Es verfügt neben fünf Laser-Ver­stärkern über ein Strecker-Kompressor-System mit der Be­sonderheit eines sogenannten Mosaik-Gitter-Kompressors. Als aktives Medium werden Ytterbium dotiertes Fluorid-Phosphatglas und CaF2 ver­wen­det, das durch Hochleistungslaserdioden mit einer Wellen­länge von 940 nm gepumpt wird. Das Glas wurde vom Otto-Schott-Institut in Jena speziell für POLARIS entwickelt. POLARIS erzeugt Laser­pulse mit einer Zentralwellenlänge von 1030 nm und einer Band­breite von 19 nm (FWHM). Um das aktive Medium zwischen den einzelnen Pulsen effizient kühlen zu können, werden die Laserpulse mit einer Wiederholrate von 1/50 Hz erzeugt.

Aktuell können mit POLARIS Laserpulse mit einer Pulsenergie von 54,16 J vor dem Kompressor erzeugt werden. Nach dem Kompressor werden Laserpulse mit mehr als 17 J Pulsenergie in einer Pulsdauer von weniger als 100 fs routinemäßig im Experiment eingesetzt.

Durch die Verwendung von adap­tiver Optik erreichen die Intensitäten im Fokus die Größenordnung von 1021 W/cm2. Der zeitliche Intensitätskontrast der Laser­pul­se beträgt aktuell bis zu 10-13 für die verstärkte spontane Emission (ASE). Der für erfolgreiche Experimente zur Teilchen­be­schleunigung sehr wichtige zeitliche Intensitätskontrast ist ebenso wie die Er­höhung der verfügbaren Pulsenergie ein wesentlicher Ge­gen­stand der Weiterentwicklung des Lasersystems.

Die Forschung, die zu diesen Ergebnissen führte, wurde teilweise durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unter den Förderkennzeichen 03ZIK052, 03ZIK445, 05K10SJ2, 03Z1H531, durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (TR18), durch die Europäische Union im 7. Rahmenprogramm (LASERLAB-EUROPE, Nr. 228334) und durch das Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Technologie (TMWAT, Förderkennzeichen 2011 FGR 0122) gefördert.

Ansprechpartner:

Dr. Marco Hornung
Tel: +49 3641 947-613



Dr. Joachim Hein
Tel: +49 3641 947-209



Prof. Dr. Malte C. Kaluza
Tel: +49 3641 947-280