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Kontrolle des zeitlichen Kontrastes am Lasersystem PHELIX

Wagner, Florian :
Kontrolle des zeitlichen Kontrastes am Lasersystem PHELIX.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Kontrolle des zeitlichen Kontrastes am Lasersystem PHELIX
Language: German
Abstract:

Die vorliegende wissenschaftliche Arbeit behandelt die Kontrolle des zeitlichen Kontrastes am Hochleistungslaser PHELIX der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt. Durchgeführt wurde die Dissertation in der Arbeitsgruppe Laser- und Plasmaphysik des Instituts für Kernphysik der Technischen Universität Darmstadt. Der zeitliche Kontrast eines gepulsten Lasers, der als das Verhältnis der Maximalintensität zur Intensität zu einem gegebenen Zeitpunkt vor dem Pulsmaximum definiert ist, stellt einen bedeutenden Einflussfaktor für Experimente mit Hochleistungslasern dar. Die Verstärkung des Laserpulses führt dabei zu einer intrinsischen Kontrastverschlechterung. Diese zieht die Ionisation des im Experiment bestrahlten Probenmaterials Nanosekunden vor dem Auftreffen des Intensitätsmaximums nach sich. Es bildet sich ein Vorplasma, das die Laser-Materie-Wechselwirkung entscheidend beeinflusst und welches das Auftreten einiger physikalischer Effekte verhindert. Zielsetzung dieser Dissertation war es, einen ausreichenden Kontrast am PHELIX-Laser zu realisieren, um die experimentelle Untersuchung des breakout afterburner (BOA)-Mechanismus zur Laser-Ionenbeschleunigung zu ermöglichen. Dieser basiert auf der Verwendung dünner Proben im sub-Mikrometer Dickenbereich und erfordert einen hohen Kontrast, der den charakteristischen Kontrast konventioneller Lasersysteme um Größenordnungen überschreitet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein innovatives Modul zur Unterdrückung der verstärkten Spontanemission (engl. amplified spontaneous emission, ASE), die den entscheidenden Beitrag zur Kontrastdegradierung liefert, entwickelt und in das PHELIX-System integriert. Das Modul ermöglicht eine rauscharme Verstärkung des Oszillatorpulses auf bis zu 200 J durch optisch-parametrische Verstärkung. Bei diesem Mechanismus entsteht keine ASE. Die einzige mögliche Ursache einer Kontrastverschlechterung stellt die parametrische Fluoreszenz dar, die auf die Zeitdauer des genutzten Pumppulses beschränkt ist. Aus diesem Grund wurde ein kompaktes Verstärkersystem entwickelt, das einen Pumppuls mit einer Halbwertsbreite von 1 ps erzeugt. Die parametrisch verstärkten Pulse, die einen hohen zeitlichen Kontrast außerhalb des durch den Pumppuls definierten Zeitfensters aufweisen, werden zur weiteren Verstärkung im PHELIXSystem genutzt. Auf diese Weise ist eine Verringerung der ASE-Intensität des Gesamtsystems um bis zu 5 Größenordnungen bei gleichbleibender Spitzenintensität möglich. Einen weiteren Beitrag zur Kontrastverschlechterung an Hochleistungslasern leisten komprimierte Vorpulse. Die Ursachen von Vorpulsen im PHELIX-System wurden identifiziert und konnten durch technische Modifikationen eliminiert werden. Der positive Einfluss der erzielten Kontrastverbesserung wurde in zwei unterschiedlichen Experimenten bestätigt. Im ersten Experiment wurde die Ausdehnung des Vorplasmas auf flachen Metallproben, wie sie in verschiedenen Experimenten genutzt werden, untersucht. Dazu wurde ein Pump-Probe-Aufbau entwickelt, der die Bestimmung der Dichte des Vorplasmas mit einer räumlichen Auflösung von wenigen Mikrometern ermöglicht. Die Messung wurde für verschiedene ASE-Niveaus durchgeführt, die mit dem genannten Modul eingestellt werden können. Die Messergebnisse zeigen eine verringerte Vorplasmadimension bei Erhöhung des ASE-Kontrastes und sind im Einklang mit durchgeführten Computersimulationen. In einem zweiten Experiment wurde die lasergetriebene Ionenbeschleunigung mit Plastikproben im sub-Mikrometer-Dickenbereich erforscht. Mit dem realisierten Kontrast war es dabei am PHELIX-Laser erstmals möglich, mit minimalen Probendicken von bis zu 200 nm eine Beschleunigung von Protonen nach dem bekannten target normal sheath acceleration (TNSA)-Mechanismus auf Energien von etwa 34 MeV zu erzielen. Zusätzlich wurden für eine optimale Probendicke von 745 nm Protonen mit einer maximalen Energie von 65 MeV beobachtet, die dem BOA-Mechanismus zugeschrieben werden. Dank der Einstellung eines kleinen Winkels zwischen der Laserachse und der Probennormalen konnte eine räumliche Separation der nach den beiden Mechanismen TNSA und BOA beschleunigten Protonen erzielt werden. Während die TNSA-Protonen senkrecht zur Probe beschleunigt wurden, was aus zahlreichen experimentellen und theoretischen Studien bekannt ist, wurde für den BOA-Mechanismus erstmals eine Beschleunigung in Laserrichtung beobachtet.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This scientific thesis deals with the control of the temporal contrast at the high power laser system PHELIX at GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt. The work was carried out at the laser and plasma physics group of the Institut für Kernphysik at Technische Universität Darmstadt. The temporal contrast of a pulsed laser, which is defined by the ratio of the peak intensity to the intensity at a given time before this maximum, is an important parameter for experiments using high power lasers. In general, the intrinsic noise in laser amplifiers results in a degradation of the temporal contrast of short pulses, leading to the ionization of the target material that is used in experiments already a few nanoseconds before the impact of the laser pulse maximum. A preplasma is created, that strongly influences the laser-matter-interaction and even compromises several physical phenomena. The main objective of this thesis was the demonstration of a temporal contrast level sufficiently high for the experimental investigation of the laser breakout afterburner (BOA) mechanism for laser-driven ion acceleration. This mechanism is based on the use of ultrathin targets with thicknesses in the range of sub-micrometers and requires a high temporal contrast exceeding the typical value achieved in common laser systems by several orders of magnitude. In the framework of this thesis an innovative module for the reduction of the amplified spontaneous emission (ASE), which is the main source of contrast degradation, was developed and integrated to the PHELIX system. This module allows for a low-noise amplification of the oscillator pulse up to an energy of 200 J by means of optical parametric amplification (OPA). With this scheme, no ASE is generated whereas parametric fluorescence, the only source of noise, is temporally confined to the pump pulse duration. For this reason a compact amplifier was developed to produce the 1 ps short pump pulses necessary for pumping the OPA. The pulses that have been parametrically amplified exhibit high temporal contrast outside the time window set by the on-time of this laser pulse. These pulses are further amplified in the PHELIX-system. Thus, the intensity of the ASE can be reduced by up to 5 orders of magnitude while maintaining the peak intensity. An additional contribution to contrast degradation is made by compressed prepulses. The sources of prepulses at the PHELIX system were identified and systematically eliminated. The positive influence of the achieved contrast improvement was confirmed in two experiments. In the first experiment the preplasma expansion on flat metal targets, as used in many experiments, was studied. With this goal a pump-probe setup was developed, that enables the evaluation of the plasma density with spatial resolution of several micrometers. The measurement was carried out with different ASE levels, which can be applied using the above-named module. The results show a reduced preplasma dimension with increasing ASE contrast and are consistent with computer simulations. The second experiment was dedicated to explore laser-driven ion acceleration using plastic targets with sub-micrometer thicknesses. With the implemented contrast, it was for the first time possible to accelerate protons up to maximum energies of 34 MeV with target thicknesses as low as 200 nm and acceleration via the well known target normal sheath acceleration (TNSA) mechanism. Additionally, for an optimum target thickness of 745 nm, protons with energies of 65 MeV were observed that are linked to the BOA mechanism. Thanks to a small angle between the laser axis and the target normal direction, a spatial separation of the protons accelerated via the two different mechanisms TNSA and BOA could be obtained. While the TNSA-beam is accelerated in target normal direction, which is a well established fact, the acceleration via the BOA mechanism could be observed in a non target-normal geometry for the first time. English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics
05 Department of Physics > Institute of Applied Physics
Date Deposited: 05 Dec 2014 14:24
Last Modified: 05 Dec 2014 14:24
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-42812
Referees: Roth, Prof. Dr. Markus and Kühl, Prof. Dr. Thomas
Refereed: 1 December 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4281
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