Item Type: |
Ph.D. Thesis |
Title: |
Development of an Actively Cooled
Large Aperture Laser Amplifier at
the GSI Helmholtzzentrum |
Language: |
English |
Abstract: |
The development of petawatt-class lasers during the last decades has resulted in a reduction
of the size and cost of such systems. This development has lead to the adoption of petawattclass
lasers at facilites world-wide for the study of matter in extreme states. The energy density
achieved by such systems has lead to their use as direct drivers for particle acceleration, research
on inertial confinement fusion and radiation therapy. Further uses for these systems were found
in their application as secondary sources for X-rays, ions, electrons, protons and neutrons.
This range of applications has lead to the use of petawatt-class lasers in national as well as
university laboratories. The operation as direct and indirect sources requires high repetition
rates to ensure the rapid reproducibility of respective results and increased statistics.
While low energy petawatt lasers featuring pulse energies below 100 J are commercially available
with repetition rates greater than 1 Hz, the repetition rate of high energy petawatt systems
above 100 J pulse energy is limited by the cooling behaviour of their amplifier materials. Most
high energy petawatt lasers utilize glass based gain media at apertures above 20 cm in their
power amplifier elements. These large apertures are chosen to minimize the occuring intensities
in the system and prevent damages to optical elements. However, the low thermal
conductivity of glass leads to thermal equilibration times of the gain medium in the range of
hours, thus featuring low repetition rates.
The goal of this scientific work is the development of a glass based power amplifier element
for high energy petawatt lasers featuring an active cooling scheme to reduce the thermal equilibration
time of the gain medium to improve the repetitionrate of the laser. The targeted
repetition rates are in the order of 1/5 min^-1 for a gain factor of 1.5 with a focus on the high
quality and reproducibility of the transmitted wavefront.
To this end, a concept was used that utilizes a laminar coolant flow between two discs of the
gain medium to reduce the thermal load on the discs. A set of coolants was investigated to determine
their thermal, kinematic, chemical and optical properties to qualify them for use in the
prototype. Simulations of the cooling process in the prototype further lead to the discovery of a
steady state between the heating and cooling of the gain medium between consecutive pulses.
This steady state could be used to enable repeatable wavefront patterns at repetition rates of
1/5 min^-1 in the simulations.
Experimental investigations of a full scale prototype model were further used to determine the
leak tightness of the coolant seals as well as to conduct the first qualitative measurements of
transmitted wavefronts. |
Alternative Abstract: |
Alternative Abstract | Language |
---|
Die Entwicklung von Lasern der Petawatt-Klasse über die letzten Jahrzehnte hat zu einer Reduktion
von Größe und Preis der Systeme geführt. Diese Entwicklung begünstigte eine weltweite
Verbreitung derartiger Laser an verschiedensten Anlagen zur Untersuchung von extremen Materiezuständen.
Aufgrund der mit Petawatt Lasern erreichbaren Energiedichten, können diese für
die Beschleunigung von Teilchen, als Treiber in der Trägheitsfusionsforschung und zur Strahlenterapie
verwendet werden. Des Weiteren finden diese Systeme Anwendung als sekundäre
Quellen zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, Ionen, Elektronen, Protonen und Neutronen.
Dieses breite Anwendungsfeld führte zur Verwendung von Lasern der Petawatt-Klasse in staatlichen,
sowie in universitären Einrichtungen. Hohe Repetitionsraten der Lasersysteme sind dabei
sowohl für die Verwendung als direkte Quellen als auch als indirekte Quellen notwendig, um
eine schnelle Reproduktion der Ergebnisse und belastbare Statistiken der Messdaten zu gewärleisten.
Während Niederenergie-Petawatt-Laser mit Pulsenergien unter 100 J bereits in kommerzieller
Form zur Verfügung stehen und Repetitionsraten größer als 1 Hz bereitstellen, ist die Repetitionsrate
von Hochenergie-Petawatt-Lasern mit Pulsenergien über 100 J durch das Kühlverhalten
der verwendeten Verstärkermaterialien begrenzt. Die meisten Hochenergie-Petawatt Systeme
verwenden in ihren Hauptverstärkerelementen auf Glas basierende Verstärkermedien mit Aperturen
über 20 cm, um die auftretenden Intensitäten im System zu minimieren und der Beschädigung
optischer Elemente vorzubeugen. Die niedrige Wärmeleitfähigkeit von Glas führt dabei
zu thermischen Equilibrationszeiten der Verstärkermedien im Bereich von Stunden, welche mit
einer niedrigeren Repetitionsrate korrespondieren.
Ziel dieser wissenschaftlichen Arbeit ist die Entwicklung eines glasbasierten Verstärkerelements
für Hochenergie-Petawatt-Laser, welches über ein aktives Kühlverfahren die thermische Equilibrationszeit
des Verstärkermediums reduziert um eine Verbesserung der Repetitionsrate des
Lasers zu erreichen. Die angestrebten Repetitionsraten liegen dabei im Bereich von 1/5 min^-1
bei einem Verstärkungsfaktor von 1.5, mit einem Fokus auf einer hohen Qualität und Reproduzierbarkeit
der transmittierten Wellenfront.
Zu diesem Zweck wurde ein Konzept verwendet, welches einen laminaren Kühlmittelfluss zwischen
zwei Verstärkerscheiben nutzt, um die thermische Last der Scheiben zu reduzieren.
Eine Reihe von Kühlmitteln wurde auf ihre thermischen, kinematischen, chemischen und optischen
Eigenschaften untersucht, um ihre Eignung für die Verwendung im Prototypen zu bestimmen.
Weiterhin zeigten Simulationen des Kühlprozesses im Prototypen die Ausbildung eines Gleichgewichtzustands
zwischen Erwärmung und Kühlung des Verstärkermediums. Dieser konnte genutzt
werden, um in den Simulationen reproduzierbare Wellenfronten bei Repetitionsraten von
1/5 min^-1 zu ermöglichen.
Experimentelle Untersuchungen eines Prototypenmodells im Maßstab 1:1 ermöglichten außerdem die Dichtigkeit der Kühlmitteldichtungen zu bestimmen und erste qualitative Messungen
der transmittierten Wellenfronten durchzuführen. | German |
|
Place of Publication: |
Darmstadt |
Classification DDC: |
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik |
Divisions: |
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik > Laser- und Plasmaphysik |
Date Deposited: |
29 Jul 2020 12:28 |
Last Modified: |
29 Jul 2020 13:03 |
DOI: |
10.25534/tuprints-00011959 |
URN: |
urn:nbn:de:tuda-tuprints-119592 |
Referees: |
Roth, Prof. Dr. Markus and Bagnoud, Dr. Vincent |
Refereed: |
16 December 2019 |
URI: |
https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11959 |
Export: |
|