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Optical Control of the Temporal Contrast in Chirpe-Pulse-Amplification Lasers

Röder, Simon (2024)
Optical Control of the Temporal Contrast in Chirpe-Pulse-Amplification Lasers.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00028149
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Optical Control of the Temporal Contrast in Chirpe-Pulse-Amplification Lasers
Language: English
Referees: Bagnoud, Prof. Dr. Vincent ; Roth, Prof. Dr. Markus
Date: 14 October 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xviii, 136 Seiten
Date of oral examination: 6 November 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00028149
Abstract:

This work aims to develop novel techniques for purely optical control of the rising edge in the temporal profile ultra-intense laser pulses. The purpose of this is to facilitate research with controlled preplasma conditions at highest intensities. The approach pursued in this work for this purpose consists of exploiting the dependency between the beam size in the pulse stretcher and the shape of the rising edge. Over the course of this thesis, I have developed an analytical model that is capable of describing the formation of a rising edge in the stretcher of a chirped-pulse-amplification laser system. For the validation of this model in the frame of an experimental campaign, I have developed a corresponding stretcher setup. During this campaign, I experimentally validated the dependency of the slope of the rising edge on the beam size. Furthermore, I have validated that spatial apertures in the beam path to the stretcher condition the rising edge, as well as damages on optical surfaces in the Fourier plane in the stretcher. Subsequent to the experimental validation, I adapted the unfolded configuration of the developed stretcher to the requirements in the beam path of a chirped-pulse-amplification system. This unfolded setup omits optical elements in the Fourier plane, which, in agreement with the analytical model, causes an improvement of the rising edge. The setup further employs beam expansion for further improvement of the contrast due to the conditioning of the rising edge by the beam size. This novel, purely optical method for temporal-contrast manipulation was demonstrated in this work for the first time. By implementing the developed stretcher design at the Petawatt Hoch-Energie Laser für SchwerIoneneXperimente (PHELIX), I was able to improve the rising edge to a degree where it decreases below a contrast level of 5.7 · 10−10 within 30 ps prior to the main pulse, in comparison to previously around 100 ps. Hydrodynamic simulations of the interaction of this rising edge with an 100nm thick polystyrene foil yield that the achieved rising edge improvement corresponds to a reduction of the preplasma scale length by almost a factor of three. I published the results of this work in the journal "High Power Laser Science and Engineering".

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Diese Arbeit zielt auf die Entwicklung neuartiger, rein optischer Methoden zur Steuerung der Anstiegsflanke im zeitlichen Profil von ultra-intensiven Lasern ab. Das Ziel dabei ist es, Forschung mit kontrollierten Vorplasmabedingungen bei höchsten Intensitäten zu ermöglichen. Der in dieser Arbeit verfolgte Ansatz hierfür besteht darin, eine Abhängigkeit zwischen der Strahlgröße im Pulsstrecker und der Form der Anstiegsflanke auszunutzen. Im Rahmen dieser Arbeit habe ich ein analytisches Model entwickelt, welches die Bildung einer Anstiegsflanke in einem Strecker eines chirped pulse amplification Lasersystems beschreibt. Zur Verifizierung dieses Modells im Rahmen einer experimentellen Kampagne habe ich einen entsprechenden Streckeraufbau entwickelt. Während dieser Kampagne habe ich die Abhängigkeit der Steigung der Anstiegsflanke von der Strahlgröße experimentell nachgewiesen. Im Rahmen dessen habe ich weiterhin validiert, dass räumliche Begrenzungen im Strahlengang zum Strecker die Anstiegsflanke konditionieren, genauso wie Schäden auf den optischen Oberflächen in der Fourierebene im Strecker. Im Anschluss an die experimentelle Validierung habe ich eine entfaltete Konfiguration des entwickelten Streckers auf die Bedingungen im Strahlengang eines chirped-pulse-amplification Systems angepasst. In diesem entfalteten Aufbau werden optische Elemente in der Fourierebene vermieden, was im Einklang mit dem analytischen Model den Anstiegsflankenkontrast verbessert. Der Aufbau nutzt zudem eine Strahlaufweitung, um den Kontrast durch die Abhängigkeit zwischen Strahlgröße und Anstiegsflanke weiter zu verbessern. Diese neuartige, rein optische Methode der Steuerung des zeitlichen Kontrastes wurde in dieser Arbeit zum ersten Mal demonstriert. Durch die Implementierung des entwickelten Streckeraufbaus im Petawatt Hoch-Energie Laser für SchwerIoneneXperimente (PHELIX) war ich in der Lage, die Anstiegsflanke des Systems soweit zu reduzieren, dass sie unter ein Kontrastniveau von 5,7 · 10−10 innerhalb von 30 ps vor dem Hauptpuls fällt, anstelle von zuvor ca. 100 ps. Hydrodynamische Simulationen der Interaktion von dieser Anstiegsflanke mit einer 100nm dicken Polystyrolfolie ergeben, dass die erreichte Anstiegsflankenverbesserung einer Verringerung der Skalenlänge des Vorplasmas um fast einen Faktor drei entspricht. Ich habe die Resultate dieser Arbeit in der Zeitschrift „High Power Laser Science and Engineering“, veröffentlicht.

German
Uncontrolled Keywords: Chirped-pulse Amplification, Stretcher, Laser
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-281492
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 530 Physics
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Applied Physics
05 Department of Physics > Institute of Applied Physics > Laser und Quantenoptik
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik > Laser- und Plasmaphysik
Date Deposited: 14 Oct 2024 11:44
Last Modified: 17 Oct 2024 05:54
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/28149
PPN: 522218733
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