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Fabrication of micro-structured surfaces with increased light absorption and their influence on intense laser-plasma experiments

Neumann, Nico Wilfrid (2018):
Fabrication of micro-structured surfaces with increased light absorption and their influence on intense laser-plasma experiments.
Darmstadt, Technische Universität, [Ph.D. Thesis]

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Neumann_2018_Juni_06.pdf - Accepted Version
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Fabrication of micro-structured surfaces with increased light absorption and their influence on intense laser-plasma experiments
Language: English
Abstract:

The thesis reports on the influence of customisable and highly light absorbing surfaces on laser-plasma experiments. For the first time, a thin microstructured silicon substrate is interacting with a short laser pulse with peak intensity exceeding 1020 W=cm2. In this process, electrons are accelerated and pushed into the target to relativistic energies. Furthermore, ions are accelerated perpendicular to the target surfaces and electromagnetic radiation is generated. In the framework of this work, a fabrication setup is developed that produces customisable structured silicon surfaces using a laser-assisted ablation and etching process with light pulses of femtosecond pulse length and the effect of laser-induced periodic surface structures (LIPSS). The evolving structure consists of conical silicon spikes with a significant increase in light absorption over a broad spectral range in the visible and infrared region. The experimental setup is demonstrated together with a characterisation of the resulting surface structures. Thereby, a precise prediction of needle height and separation is possible. Following, these structured silicon targets are compared to flat foils and different periodic geometric structures, typically used in laser-plasma experiments, in an experimental campaign using the petawatt class Vulcan laser system of the Central Laser Facility, Oxfordshire, UK. Spectral and spatial investigation of reflected laser light, X-ray generation, electron and ion acceleration in the experiment demonstrate an enhanced performance of the robust microstructured silicon needle structure facing the incident laser pulse. A significant increase in high energetic electrons, ions and brilliant X-ray radiation is observed in comparison to flat foils and targets with geometric structures. Reflection losses from the interaction area are decreased substantially. With the results of the experimental campaign a combination of the microstructured silicon surfaces with different materials is motivated. E.g. proton-rich materials can generate a reliable and auspicious source of laser-accelerated protons. Joining the structured target with a confined piece of material, pointlike sources of brilliant X-ray radiation of selectable photon energy become available. Employing the fabrication setup developed within the framework of this thesis a valuable addition to the scope of the Detektor & Targetlabor is given. The further development of the setup towards high-repetition rate laser facilities, production of customisable and more complex targets and evaluation of applications for highly light absorbing surfaces is promising.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die vorliegende Arbeit untersucht erstmalig den Einfluss stark Licht absobierender mikrostrukturierter Oberflächen auf Laser-Plasma Experimente. Dabei wird die Wechselwirkung eines dünnen Siliziumsubstrats mit ultrakurzen Laserpulsen bei Spitzenintensitäten oberhalb 1020 W=cm2 untersucht. Durch diesen lasergetriebenen Prozess werden Elektronen auf kürzesten Strecken zu relativistischen Energien und durch das Target beschleunigt. Darüber hinaus werden Ionen senkrecht zu den Oberflächen der Siliziumfolie beschleunigt und intensive elektromagnetische Strahlung erzeugt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Aufbau entwickelt, der es erlaubt variierbare Strukturen in der Größenordnung von Mikrometern auf Siliziumoberflächen zu erzeugen. Dabei werden ultrakurze Laserpulse mit Pulslängen in der Größenordnung von Femtosekunden verwendet um mit einem lasergetriebenen Ablations- und Ätzprozess periodische Oberflächen zu induzieren (engl. laser-induced periodic surface structures, kurz LIPSS). Die erzeugten Strukturen bestehen aus runden Siliziumnadeln mit einer signifikant erhöhten Lichtabsorption über einen breiten Bereich des sichtbaren und infraroten Spektrums. Der experimentelle Aufbau wird gemeinsam mit der Charakterisierung relevanter Parameterbereiche demonstriert, die es erlaubt genaue Vorhersagen über die Nadelhöhe und -verteilung zu treffen. Die mit diesem Aufbau hergestellten Siliziumtargets werden in einem LaserPlasma Experiment mit üblicherweise eingesetzten flachen Folien und anderen Strukturen mit periodischer Geometrie verglichen. Die strukturierte Fläche zeigt dabei in Richtung des einfallenden Laserpulses. Dafür wurde am Vulcan Lasersystem der Central Laser Facility, Oxfordshire in Großbritannien eine experimentelle Kampagne ermöglicht. Die Vermessung der spektralen und räumlichen Verteilung von reflektiertem Laserlicht, erzeugter Röntgenstrahlung, sowie der Beschleunigung von Elektronen und Ionen zeigt dabei eine deutliche Verbesserung durch die Verwendung mikrostrukturierter Oberflächen. Die Ausbeute hoch energetischer Elektronen, Ionen und brillanter Röntgenstrahlung ist im Vergleich zu flachen Folien und geometrischen Strukturen deutlich erhöht. Reflexionsverluste von Laserenergie an der Targetoberfläche werden verringert. Die Ergebnisse und Rückschlüsse aus der experimentellen Kampagne motivieren die Verwendung strukturierter Siliziumoberflächen in Kombination mit weiteren Materialien. Zum Beispiel kann durch eine protonenreiche Schicht iiauf der Targetrückseite eine zuverlässige und energiereiche lasergetriebene Protonenquelle erzeugt werden. Des Weiteren kann durch die Kombination der Oberflächenstruktur mit einem räumlich begrenzten Material eine intensive Röntgenquelle mit verringerter Quellgröße generiert werden. Die Energie der charakteristischen Photonen kann dabei durch die Wahl des Materials gezielt gesteuert werden. Durch den im Verlauf dieser Arbeit entwickelten Produktionsaufbau konnten die apparativen Möglichkeiten des Detektor- und Targetlabors erweitert werden. Die weitere Entwicklung dieses Aufbaus mit Blick auf hochrepetitive Laser, die einfache und kostengünstige Produktion komplexer Targets und Anwendungen absorbierender Strukturen ist vielversprechend.German
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 Nuclear Physics
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik > Laser- und Plasmaphysik
Date Deposited: 28 Jun 2018 07:32
Last Modified: 28 Jun 2018 07:32
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-74808
Referees: Roth, Prof. Dr. Markus and Walther, Prof. Dr. Thomas
Refereed: 6 June 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7480
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