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Zeitlicher Laserpulskontrast - Metrologie und Optimierung

Schanz, Victor (2019):
Zeitlicher Laserpulskontrast - Metrologie und Optimierung.
Darmstadt, Technische Universität, [Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Zeitlicher Laserpulskontrast - Metrologie und Optimierung
Language: German
Abstract:

Die vorliegende Ausarbeitung stellt eine umfassende wissenschaftliche Analyse des zeitlichen Kontrasts intensiver Laserpulse dar. Sie dient dem Verständnis der Ursachen von Kontrast-limitierenden Einflüssen und der Verbesserung des zeitlichen Kontrasts. Der Großteil dieser Arbeit wurde am Lasersystem PHELIX der Gesellschaft für Schwerionenforschung GmbH durchgeführt. Die hier gewonnenen Erkenntnisse sind Anwendbar auf alle Lasersysteme, welche auf dem Prinzip der Verstärkung zeitlich gestreckter Pulse (CPA aus dem Englischen chirped pulse amplification) basieren.

In CPA-Lasersystemen gibt es Bereiche, in welchen der Laserpuls gestreckt, und andere, in welchen er komprimiert ist. Die Bereiche sind über Dispersion des Spektrums miteinander verknüpft. Eine Veränderung des zeitlich gestreckten Pulses wird häufig durch Pockels-Zellen vorgenommen. Im Rahmen der hier vorgestellten Arbeit wurde experimentell untersucht, wie sich diese Veränderung auf den Puls nach Kompression auswirkt. Es wurde gezeigt, dass eine zeitabhängige Intensitätsveränderung der verstärkten spontanen Emission durch eine Pockels-Zelle, welche im gestreckten Bereich innerhalb von 150 ps abgeschlossen ist, im komprimierten Puls als 2,3 ns lang andauernder Intensitätsanstieg zu sehen ist. Aufbauend darauf wurde eine analytische Beschreibung entwickelt, welche die zeitabhängige Kontrastveränderung durch Pockels-Zellen in Abhängigkeit des Eingangsspektrums angibt.

Der zeitliche Kontrast ist definiert als das Verhältnis der maximalen Intensität eines Laserpulses zu dessen Intensität an einem beliebigen Zeitpunkt vor diesem Maximum. Heutige Lasersysteme erreichen fokussiert Spitzenintensitäten von mehr als 10^{21} W/cm^2 und benötigen sehr hohe Kontrastniveaus, da anderenfalls bereits vor Erreichen der maximalen Intensität signifikante Laser-Materie-Wechselwirkung stattfindet.

Typischerweise entspricht der zeitliche Intensitätsverlauf eines Laserpulses nicht dem theoretisch erwarteten Verlauf eines bekannten, verstärkten Pulses. Stattdessen bildet sich vor dem Erreichen der maximalen Intensität eine Anstiegsflanke, welche eine deutlich langsamere Intensitätsänderung zeigt, als dies von dem Verlauf des ursprünglichen Pulses zu erwarten ist. Als Ursache dafür werden Fehler von Optiken im Fernfeld des Streckers angenommen, welcher die zeitliche Streckung des Pulses vornimmt und somit eine unerlässliche Komponente der CPA darstellt.

Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein Strecker in einer eigens hierfür entwickelten Strahlverfolgungsroutine, welche zudem Elemente der Gaußschen Strahlenoptik beinhaltet, modelliert. In dieser ist die Möglichkeit implementiert gezielt Störungen an unterschiedlichen Stellen des Streckers einzubringen. Der resultierende Algorithmus ermöglicht es den Einfluss eines beliebigen Mangels einer Optik des Streckers auf das Spektrum und den zeitlichen Verlauf der Intensität eines Laserpulses zu untersuchen. Damit wurde gezeigt, dass das zeitliche Laserpulsprofil durch Deformationen der Oberflächenstruktur von genutzten Optiken dominiert wird.

Oberflächendeformationen stören direkt und indirekt die Phase eines reflektierten Strahls. Direkt über Phasenversatz bei der Reflexion, indirekt über Variation der Richtung, in welche Strahlen reflektiert werden. Die Richtungsänderung führt zu einer Veränderung des optischen Wegs der Strahlen und somit zu weiteren Modulationen der spektralen Phase. Im Rahmen dieser Dissertation wurde der Effekt des indirekten Phaseneinflusses zum ersten Mal Untersucht und gezeigt, dass Richtungs- und direkte Phasenänderungen signifikant den zeitlichen Verlauf eines Laserpulses beeinflussen. Insbesondere führen Richtungsänderungen in Verbindung mit Raumfrequenzfiltern im Nachgang des Streckers zu Kopplungseffekten zwischen Phasen- und Intensitätsänderung, was den zeitlichen Kontrast ebenfalls beeinflusst.

Treten identische Störungen auf Optiken im Nah- und Fernfeld auf, wird der zeitliche Kontrast von den im Fernfeld eingebrachten Effekten dominiert. In dem hier untersuchten Beispiel bestmöglicher Optiken wird der Pulsverlauf von diesen Störungen bereits bei einer Intensität von 3x10^{-8} relativ zum Maximum signifikant beeinflusst. In dieser Arbeit wurde erstmals gezeigt, dass im Fernfeld eingebrachte Störungen mit im Strecker auftretenden Aberrationen zusammenwirken und eine Modulation der spektralen Phase mit chromatisch abhängiger Amplitude erzeugt.

Mit dem entwickelten Algorithmus wurden Simulationen durchgeführt, um die Abhängigkeit des zeitlichen Kontrasts von verschiedenen Parametern zu untersuchen. Damit wurde gezeigt, dass die Güte von Optiken im Hinblick auf deren Oberflächendeformationen einen großen Einfluss hat. Inhomogenitäten der Reflektivität verwendeter Optiken hingegen, stellen nach heutigem Stand der Technik kein Limit für den erreichbaren Kontrast dar.

Räumliche Mittelung von Störeffekten auf Optiken über den Bereich des Laserstrahls hat einen maßgeblichen Einfluss auf die resultierenden Auswirkungen. So wirkt sich eine größere räumliche Ausdehnung des Strahls positiv auf den zeitlichen Pulsverlauf aus, wenn Optiken im Nahfeld kontrastbegrenzend sind, jedoch negativ sollten Fernfeldeinflüsse Ursache des Kontrastniveaus sein.

Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wurde ein Konzept für ein neuartiges Streckerdesign erarbeitet, welches die erkannten Ursachen der Verschlechterung des zeitlichen Kontrasts umgeht oder deren Einfluss minimiert. Mit einem solchen Strecker wird die Steigung der Anstiegsflanke wesentlich steiler. Der zeitliche Abstand vor dem Intensitätsmaximum, ab welchem ein Vorplasma erzeugt werden kann, wird damit um einen Faktor 33 verringert.

Simulationen des entwickelten Algorithmus wurden mit gemessenen Pulsverläufen des Lasersystems PHELIX verglichen. Somit konnte der Einfluss des genutzten Streckers und ein Maß für die Qualität der darin genutzten Optiken bestimmt werden.

Um den zeitlichen Kontrast zu vermessen und zu verbessern, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein spezieller Kreuz-Korrelator dritter Ordnung optimiert und eingesetzt. Dieses Gerät zeichnet sich durch ein sehr niedriges Rauschlevel aus, welches durch Anpassung des Überlagerungswinkels interagierender Strahlen erreicht wird. In dieser Arbeit wurde eine analytische Beschreibung entwickelt, wie die Rauschverringerung mit diesem Winkel zusammenhängt.

Es wurden weitere Verbesserungsmöglichkeiten, wie zum Beispiel die Anpassung der Intensitäten interagierender Strahlen, analytisch aufgezeigt. Kombiniert lassen diese eine weitere Rauschverringerung um drei Größenordnungen erwarten. Zum Teil wurden diese umgesetzt und damit ein Rauschlevel von (3,7_{-3,6}^{+7,4})x 10^{-14} relativ zum Intensitätsmaximum erreicht. Nach aktuellem Stand ist weltweit kein Gerät mit einem ähnlich großen Intensitätsmessbereich in einer zusammenhängenden Messung verfügbar.

Das Gerät wurde eingesetzt, um den zeitlichen Kontrast zu bestimmen und zu verbessern. So konnten am Lasersystem PHELIX mehrerer Vorpulse auf Zeitskalen von Pikosekunden bis zu 2,5 Nanosekunden identifiziert werden. Die Ursache der beiden intensivsten Vorpulse konnten ausgemacht und beseitigt werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The presented thesis describes a profound scientific analysis of the temporal contrast of high-intensity \mbox{laser} pulses. Its purpose is the investigation of the origin of contrast degradation and its improvement. The majority of this work was conducted at the PHELIX laser facility at GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH. The insights achieved within this thesis are applicable to all laser facilities which are based on chirped pulse amplification (CPA). In CPA laser systems the laser pulse is temporally stretched in certain parts of the laser chain\\ -- called stretchers -- and compressed in others. The pulse shape in both areas is connected by dispersion of the laser spectrum. In most short-pulse laser systems it is common to modify the stretched pulse using Pockels cells. The subsequent effects of this modification -- a change of the pulse in the compressed regime -- was investigated experimentally in this thesis. When a Pockels cell induces a time-dependent change of the amplified spontaneous emission intensity with a duration of 150\,ps, the post-compression variation of intensity takes 2.3\,ns. Based on this measurement, an analytic description was developed to describe the change of temporal contrast by Pockels cells, depending on the spectrum of the amplified spontaneous emission. Temporal contrast is defined as the ratio of the maximum intensity of a laser pulse to the intensity at an arbitrary prior time. When focused on a target, state-of-the-art laser systems achieve peak intensities exceeding $10^{21}$\,W/cm$^2$ and are in need of a high temporal contrast. Otherwise, a significant laser-matter interaction takes place long before the main peak arrives. Generally speaking, the temporal intensity distribution of a laser pulse does not match the theoretically assumed distribution of a known laser pulse after amplification. Instead, an intensity slope is observed prior to the peak intensity. This slope increases significantly slower than what is anticipated due to the shape of the input non-amplified laser pulse. The current scientific opinion states that distortions of optics in the far field of the stretcher -- which is an inevitable component of CPA laser systems -- are responsible for this slope. In this thesis, an algorithm was developed, combining ray-tracing and Gaussian optics. It models a stretcher-compressor setup as it is found in any CPA laser system. The algorithm includes the possibility to apply distortions at various positions in the stretcher. Thus, this model is capable of investigating the influence of any distortions implemented by optics in the stretcher. With the resulting algorithm, the influence of any imperfection of optics in the stretcher onto the spectrum and temporal profile of a laser pulse can be investigated. Different imperfections have been simulated and the dominating effect is identified as surface distortions of used optics. Surface pattern deformations distort the spectral phase of a reflected beam directly and indirectly. A direct phase change is applied by reflection at different surface heights, while indirect distortion is the result of a change of the refraction direction by a small surface tilt. The change of propagation direction leads to a change of the optical path length and therefore another change of phase. In this thesis, the influence of the indirect phase change is investigated for the first time. It was observed that such indirect effects and direct change of phase both have significant impact on the temporal contrast degradation. For similar distortions within the near- and far field of the stretcher, calculations by the presented algorithm conclude that the far-field influence prevails. For the set of parameters used in this thesis, such distortions implement a significant change of the temporal pulse profile at an intensity level of $3\cdot 10^{-8}$ times the peak intensity. In this dissertation it was observed for the first time that distortions, which are applied in the far field of a stretcher, co-act with aberrations in the stretcher. Because of this interaction, the resulting phase modulation shows chromatic dependencies. The algorithm was used to simulate the influence of several parameters onto the temporal contrast. It was shown that the quality of used optics is of great importance with respect to surface pattern distortions, yet insignificant with respect to dust-contamination and defects. Furthermore, it was observed that spatial frequency filters, besides their main function to clean the spatial beam profile, lead to a couppling of phase- and intensity modulation and influence the temporal contrast as well. Furthermore it was found that spatial averaging of surface imperfections in the area which is covered by the beam at an optic has a significant influence. A larger beam spot at the entrance of a stretcher will improve the temporal contrast when the contrast-limiting optics are placed in the near field. However, the contrast will get worse if it is limited by effects occurring in the far field of the stretcher. This can be used in future by advanced stretcher designs. Based on the achieved insights, a concept for a novel stretcher was designed in order to avoid or minimize the identified origins of contrast degradation. Such a stretcher would steepen the rising slope of the laser pulse significantly. The temporal range where a pre-plasma can be formed by the rising slope would then be decreased by a factor of 33. Calculations with the developed algorithm were compared to measurements of the temporal pulse profile of the PHELIX laser facility. Based on the parameters which were used in the simulation, an estimation of the quality of the optics used in the stretcher could be made. To measure and improve the temporal contrast, a specialized third-order cross-correlator, available at the PHELIX laser facility, was optimized and utilized during the presented work. This device stands out due to its low noise level, which is achieved by an adaption of the angle of overlap between two interaction beams. In this thesis, an analytic calculation was developed, describing the improvement of noise as a function of this angle. Room for further improvement of the noise level by another three orders of magnitude was revealed and implemented in parts. In the end, a noise level of $(3,7_{-3,6}^{+7,4})\cdot10^{-14}$ relative to the peak intensity was achieved. At present there is no other device available with a comparable range of observable intensity without stitching together multiple measurements. The optimized cross-correlator was used to characterize and improve the temporal contrast of the laser pulse. In the temporal domain of picoseconds up to 2.5\,ns prior to the main peak several pre-pulses were observed. For the two most intensive pre-pulses, the origin could be tracked down and eliminated.English
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: 31 May 2019 14:30
Last Modified: 26 Feb 2020 08:39
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-87403
Referees: Roth, Prof. Markus and Bagnoud, Dr. Vincent
Refereed: 20 May 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8740
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