Die Bestrahlung von mikrometerdünnen Metallfolien durch moderne Hochenergiekurzpulslaser mit Intensitäten größer als 1018 W/cm2 führt unter anderem zur Beschleunigung von Ionenstrahlen mit Energien im Bereich von Megaelektronenvolt (MeV). Der Laserpuls beschleunigt zuerst Elektronen auf relativistische Energien, die dann durch die Folie propagieren. Sobald die Elektronen die Folien auf der Rückseite verlassen, wird ein elektrisches Feld mit einer Feldstärke um 1012 V/m generiert. Adsorbierte Protonen von der Folienoberfläche können somit sehr effektiv in Richtung der Targetnormalen beschleunigt werden. Die derart generierten quasineutralen Strahlen bestehen aus mehr als 1012 Protonen in einem kurzen, ca. Pikosekunden andauernden, Puls. Mögliche Anwendungsgebiete sind die Diagnostik dichter Plasmen, die Nutzung als kompakter Injektor für Teilchenbeschleuniger, das Anregen kernphysikalischer Prozesse, die Energiegewinnung durch schnelle Zündung bei der Trägheitsfusion sowie ein eventueller Einsatz in der Krebstherapie mit Ionenstrahlen. So verfügen laserbeschleunigte Ionenstrahlen über einige Strahleigenschaften die weit besser sind als die von Ionenstrahlen aus herkömmlichen Ionenquellen. Dies motiviert den Einsatz als Ionenquelle der nächsten Generation. Bis heute existiert jedoch kein vollständiges Modell der Ionenbeschleunigung mit Lasern welches für Abschätzungen aller Strahlparameter verwendet werden kann. Die Entwicklung von Anwendungen erfordert jedoch eine genaue Kenntnis der Orts- und Impulsverteilung (Phasenraum) der Ionen sowie eine möglichst präzise Modellierung des Beschleunigungsvorgangs. Hierzu wurde die Messtechnik der abbildenden Spektroskopie mit radiochromischen Filmen “Radiochromic Film Imaging Spectroscopy (RIS)” entwickelt. Die für RIS benötigten Dosimetriefilme wurden am Tandembeschleuniger des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg für Protonen absolut kalibriert. Des Weiteren verwendet RIS die Methode der Ionenstrahlmanipulation durch mikrometergroße Verformung der Folienoberfläche. Die Modulationen der Folienrückseite übertragen sich auf den Ionenstrahl und werden in einen Stapel radiochromischer Filme abgebildet. Es wurde eine Methode entwickelt, um äquidistante, mikrometergroße Gräben (Abstand entweder 3, 5 oder 10 Mikrometer) in die Oberfläche von dünnen Folien (Dicke 5 bis 50 Mikrometer) einzubringen. Dies geschieht per Ultrahochpräzisionszerspanung eines Trägermaterials sowie darauf folgender galvanischer Abscheidung der Folien und anschließendem Ätzen des Trägermaterials. Die mikrostrukturierten Folien wurden in Experimenten am Petawatt High Energy Laser for Heavy Ion eXperiments (PHELIX) des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung GmbH (Darmstadt, März 2006), in zwei Experimentkampagnen am TRIDENT-Laser des Los Alamos National Laboratory (New Mexico, USA, Mai 2005 und April 2006), am 100 TW Laser des Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses (École Polytechnique, Palaiseau, Frankreich, Juni 2006) sowie am Z -Petawatt Laser der Sandia National Laboratories (New Mexico, USA, Dezember 2007) erfolgreich eingesetzt. Die Auswertung der Daten bestätigte nicht nur die Erkenntnisse früherer Experimente, sondern erlaubte zudem Rückschlüsse auf die der Beschleunigung zugrunde liegenden elektrischen Felder. Die Ergebnisse von RIS flossen in die Entwicklung des Charged Particle Transfer (CPT) Code ein, mit dem die Ionenbeschleunigung von der Rückseite der Folie dreidimensional simuliert werden kann. Mit CPT ist es möglich die Messergebnisse vollständig zu reproduzieren. Das dem CPT zugrunde liegende Modell wurde mit analytischen Betrachtungen untermauert, sowie mit Computersimulationen einer eindimensionalen Fluidexpansion mit Ladungsseparation und zweidimensionalen, relativistischen Particle-In-Cell (PIC) Simulationen verglichen. An o.g. Lasersystemen wurden des weiteren Experimente mit einer Verformung des Laserstrahlprofils auf der Vorderseite und dessen Auswirkung auf die Ionenbeschleunigung von der Folienrückseite durchgeführt. So konnte gezeigt werden, dass ein elliptisch geformter Laserfokus in einem elliptisch geformten Protonenstrahl resultiert. Diese Laserstrahlprofileinprägung nimmt mit zunehmender Dicke der Targetfolie ab. Die gleichzeitige Messung der Quellgröße der Protonenstrahlen mit Hilfe der mikrostrukturierten Folien führte zur Erkenntnis, dass der Elektronentransport bei 50 Mikrometer dicken Folien im wesentlichen durch Kleinwinkelstreuung bestimmt wird, die bei 13 Mikrometer dünnen Folien jedoch vernachlässigbar ist. Zur Interpretation der Messungen wurde der Sheath-Accelerated Beam Ray-tracing for IoN Analysis code (SABRINA) Code entwickelt, der aus einem gegebenen Laserstrahlprofil unter Berücksichtigung der Kleinwinkelstreuung das Intensitätsprofil des Protonenstrahls berechnet und die experimentellen Ergebnisse reproduziert. Die beobachtete, unerwartet große Emissionszone bei dünnen Folien ist höchstwahrscheinlich auf Rezirkulation der Elektronen in der Targetfolie zurückzuführen. Zur weiteren Optimierung laserbeschleunigter Protonenstrahlen wurden Experimente mit verschiedenen Targetgeometrien durchgeführt. So ergab die Analyse der RIS-Daten von Experimenten mit neuartigen, konusförmigen Targets mit flacher Rückseite am TRIDENT bei moderaten Intensitäten von 1019 W/cm2 mit 20 J in 600 fs eine nahezu zweifache Erhöhung der Maximalenergie der beschleunigten Protonenstrahlen, eine vierfach bessere Konversionseffizienz von Laserenergie in Ionenstrahlenergie sowie eine 13-fach höhere Ionenzahl über 10 MeV im Vergleich zu Daten von flachen Folien. Interpretationen der Messungen der energieabhängigen Quellgröße und Divergenz und PIC-Simulationen zeigen eine glockenförmige Elektronenschicht auf der Folienrückseite als Verursacher der Divergenz laserbeschleunigter Ionenstrahlen. Diese kann durch geometrische Verformung der Targetfolie kompensiert werden. Erste Ergebnisse zur Kollimation von laserbeschleunigten Protonenstrahlen wurden am Z -Petawatt Laser erzielt. Die Einkopplung von lasererzeugten Ionenstrahlen in konventionelle Beschleunigerstrukturen erfordert eine Separation der mit den Ionen propagierenden Elektronen. Dies kann durch einen Dipolmagneten erfolgen, wie in Experimenten am Z -Petawatt gezeigt werden konnte. In derselben Experimentkampagne konnte erstmals der kontrollierte Transport sowie die Fokussierung von laserbeschleunigten MeV-Protonen demonstriert werden. Hierzu wurden Miniatur-Quadrupollinsen, basierend auf Permanentmagneten mit Feldgradienten bis zu 500 T/m eingesetzt. Mit diesem Aufbau konnten 106 Protonen mit einer Energie von 14 MeV reproduzierbar auf eine Strahlgröße von ca. 300 x 200 Quadratmikrometer im Abstand von 50 cm von der Quelle fokussiert werden (siehe Abbildung auf der Titelseite). Diese Kollimationsmethode und mögliche Energieselektion entkoppelt die relativistische Laser-Protonenbeschleunigung von der Strahlführung und der Fokussierung und erlaubt so erstmals beide Sektionen separat zu optimieren. Die Verwendung von Ionenlinsen ist ideal geeignet zur Anwendung an der nächsten Generation von hochrepetierenden Hochenergie-Kurzpulslasersystemen. Die Ergebnisse der Arbeit führten zu einem verbesserten Verständnis der Protonenbeschleunigung durch Hochintensitätslaserbestrahlung dünner Metallfolien und ihrer Anwendungen. Die Ergebnisse, speziell zum Transport und zur Fokussierung, haben einen weiteren Schritt zur breiten Anwendung laserbeschleunigter Ionen in verschiedensten Gebieten wie der Beschleunigerphysik, Trägheitsfusion, Astrophysik oder Strahlentherapie beigetragen.