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Neue Konzepte der Laser-Ionenbeschleunigung

Auf dem Gebiet der Teilchenbeschleunigung mit Hilfe von Hochintensitäts-Lasern wurden neue Ergebnisse zur Laser Ionen-Beschleunigung über den bei der Wechselwirkung entstehenden Lichtdruck (radiation-pressure acceleration; RPA) bzw. der gerichteten Coulomb-Explosion (directed coulomb explosion; DCE) erzielt. Diese Methoden bieten neben der seit mehr als 10 Jahren bekannten Beschleunigung über das elektrische Feld, das auf der Rückseite einer dünnen Folie durch Ladungstrennung entsteht und senkrecht zu ihrer Oberfläche orientiert ist (target normal sheath acceleration; TNSA), erfolgversprechende Ansätze zur Erzeugung monoenergetischer Protonen- bzw. Ionenpulse mit hohen Energien. Hierbei werden extrem dünne Folien (mit Dicken von nur wenigen Nanometern) durch den Laserpuls zunächst ionisiert. Die entstehenden Elektronen werden als kompakte und überkritische „Wolke“ durch die ponderomotive Kraft des Lasers nach vorne gedrückt und ziehen die positiven Ionen als Ganzes über das entstehende elektrische Feld hinter sich her. Bei genau abgestimmtem Zusammenspiel von Laserintensität und Targetdicke kann die Erzeugung monoenergetischer Ionen mit hoher Effizienz erreicht werden.

Links das Spiegelkabinett zur Erzeugung von hochintensiven Laserpulsen mit zirkularer Polarisation.
Rechts eine der Polymerfolien mit einer Dicke von 15 nm freitragend über einer Öffnung mit einem Durchmesser 2 cm. Die Stabilität dieser Folien ist um ein Vielfaches höher als bei vergleichbaren reinen Kohlenstofffolien.
Links das Spiegelkabinett zur Erzeugung von hochintensiven Laserpulsen mit zirkularer Polarisation.
Rechts eine der Polymerfolien mit einer Dicke von 15 nm freitragend über einer Öffnung mit einem Durchmesser 2 cm. Die Stabilität dieser Folien ist um ein Vielfaches höher als bei vergleichbaren reinen Kohlenstofffolien.

Diese Forschungsarbeiten beinhalteten die Entwicklung spezieller Targets mit einer Dicke von wenigen Nanometern, die Unterdrückung von Laser-Vorpulsen und verstärkter spontaner Emission (ASE), sowie die Entwicklung polarisations-beeinflussender Optiken für Hochintensitätslaser

Durch Kombination all dieser Komponenten werden innerhalb des Helmholtz-Instituts Jena in Kollaboration verschiedener Arbeitsgruppen Experimente an den Lasersystemen JETI, PHELIX und POLARIS bei Intensitäten zwischen 1019 W/cm2 und 1021 W/cm2 durchgeführt. Hierbei konnte erstmals auf Basis einer Statistik von mehreren Tausend Schüssen ein großer Parameterraum für die oben genannten Beschleunigungsprozesse untersucht werden. Insbesondere die Abhängigkeit von Targetmaterial und Dicke, Intensität, Laserpolarisation und Vorplasmabedingungen wurde studiert. Durch den Vergleich mit 2-dimensionalen numerischen Simulationen, welche in Zusammenarbeit mit dem Jülich Supercomputing Centre entstanden, wurde ein Modell der Beschleunigungsprozesse aufgestellt und durch Vergleich mit den experimentellen Ergebnissen geprüft.

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Matt Zepf
Tel: +49 3641 947-616
m.zepf@uni-jena.de

Prof. Dr. Malte C. Kaluza
Tel: +49 3641 947-280
malte.kaluza@uni-jena.de