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Die Untersuchung der Laser-Plasma-Wechselwirkung bei der Laser Wakefield Beschleunigung ist besonders herausfordernd, da die hierbei relevanten Größen der Beschleunigerstruktur, d.h. der Plasmawelle, und den kurzen Zeitskalen ihrer Entwicklung bei einer Messung aufgelöst werden müssen. Wird die Interaktion von der Seite mit einem zweiten Laserpuls (einem sog. Probestrahl) beleuchtet, kann diese Wechselwirkungszone auf eine Kamera abgebildet werden. Um ein scharfes Bild zu erhalten, ist es notwendig, dass der Probestrahl eine Pulsdauer hat, die wesentlich kürzer ist als die des treibenden Laserpulses. Hierfür wurde am IOQ und dem HI-Jena die Technik der Mikroskopie mit Einzelzyklenpulse entwickelt. Ein Teil des Hauptpulses wird dabei spektral verbreitet und anschließend auf wenige fs komprimiert. Diese Technik steht nun auch am JETi200 Lasersystem zur Verfügung. Damit ist es möglich, mittels der Schattenbildtechnik die Plasmawelle sichtbar zu machen und deren Entwicklung zu verfolgen. Gleichzeitig können mit Polarometrie die innerhalb der Plasmawelle erzeugten azimutalen Magnetfelder vermessen werden. Mit Hilfe von Interferometrie kann zusätzlich die Elektronendichteverteilung bestimmt werden. Ein so detailliertes Bild von der Wechselwirkung konnte bisher nur mit numerischen Simulationen erzielt werden.

Schattenbild einer stark nichtlinearen Plasmawelle (oben) und Profil entlang der z=0 Achse (unten).
Schattenbild einer stark nichtlinearen Plasmawelle (oben) und Profil entlang der z=0 Achse (unten).

Die erreichbare Spitzenenergie der Elektronenpulse hängt invers proportional von der Elektrondichte ab. Deshalb muss die Elektronendichten immer weiter reduziert werden, um zu immer höheren Elektronenenergien zu gelangen. Um jedoch einen gleichbleibenden guten Kontrast in den Probestrahlbilder zu erhalten, ist es notwendig die Wellenlänge der Probestrahlpulse zu vergrößern. Dies geschieht hier mit Hilfe eines optisch parametrischen Verstärkers. Die so in das mittlere Infrarot verschoben Probepulse werden in einer nachfolgenden Stufe wieder spektral verbreitert und anschließend auf wenige Schwingungszyklen komprimiert. Die zuvor genannten Abbildungstechniken lassen sich so auch hier anwenden und ermöglichen somit einen neuartigen Einblick in die Elektronenbeschleunigung in Plasmen bei diesen niedrigen Elektrondichten. Dieses ist nicht nur für lasergetriebene Beschleunigung sondern auch für teilchengetrieben Beschleunigung, wie z.B. am DESY in Hamburg mit Elektronenpulsen, von großer Bedeutung.

Ansprechpartner:

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