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Development of an Actively Cooled Large Aperture Laser Amplifier at the GSI Helmholtzzentrum

Patrizio, Marco (2020):
Development of an Actively Cooled Large Aperture Laser Amplifier at the GSI Helmholtzzentrum.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00011959,
[Ph.D. Thesis]

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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 AbstractLanguage
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
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