Laser-Wakefield-Beschleunigung von Elektronen

Die Beschleunigung von Elektronen mit Hilfe von ultrakurzen Laserpulsen ist ein zentrales Forschungsthema am Helmholtz-Institut Jena. Werden diese Laserpulse in ein Gas auf eine Querschnittsfläche mit wenigen 10 µm Durchmesser fokussiert, kann damit eine sog. Plasmawelle angeregt werden. Die elektrischen Felder in dieser Welle können dabei Werte von mehr als 100 GV/m annehmen und sind somit mehr als 1000 mal höher als die Felder in konventionellen Beschleunigern, die auf Radiofrequenztechnologie basieren. Dadurch können Elektronen über sehr kurze Strecken (einige cm) auf Energien im GeV-Bereich beschleunigt werden. Diese Elektronenpakete weisen eine Pulsdauer auf, die sogar kürzer (einige fs) als die des treibenden Laserpulses sein kann bei gleichzeitiger sehr geringer Emittanz. Damit sind diese Elektronimpulse hervorragend geeignet, um z.B. mit einem Undulator Sekundärstrahlung über einen weiten Wellenlängenbereich zu erzeugen, ganz ähnlich wie an einem Synchrotron jedoch im Labormaßstab.

Am HI Jena stehen mit JETi200 und POLARIS zwei Lasersysteme für Experimente zur Verfügung, mit denen die laser-getriebene Elektronenbeschleunigung (laser wakefield acceleration) in einem weiten Parameterbereich untersucht wird. Die Spitzenleistung von knapp 200 TW ist bei beiden Systemen vergleichbar, jedoch wird diese JETi200 innerhalb einer Pulsdauer von nur 17 fs erreicht (bei 4 J Pulsenergie). Damit ist es möglich, direkt in das sogenannte bubble Regime zu kommen, in dem eine stark nichtlineare Plasmawelle getrieben wird. Dahingegen sind die Laserpulse von POLARIS mit knapp unter 100 fs deutlich länger aber mit mehr als 17J auch energiereicher und ermöglichen es so, die Elektronen zu noch höheren Energien (einige GeV) zu beschleunigen. Dafür ist es notwendig, dass die Laserpulse in einem Plasmawellenleiter eingekoppelt und ähnlich wie Licht in einer Glasfaser geführt werden. Ein solcher Wellenleiter wird mithilfe einer Saphirkapillare realisiert. Diese ist mit Wasserstoff gefüllt und wird von einem Hochspannungsimpuls gezündet. Dieser heizt das entstandene Plasma auf, bis sich nach einigen 10 ns ein parabolisches Dichteprofil ausbildet. Die Parameter sind dabei so gewählt, dass die natürliche Beugung des Laserpulses kompensiert wird und somit der Laserpuls über mehrere cm mit unverändert kleinem Fokusdurchmesser propagiert. Dabei kann die Plasmawelle mit gleichbleibend hoher Intensität getrieben und somit Elektronen beschleunigt werden.