Die Bestrahlung dünner Folien mit einem Hochintensitäts-Laser führt zur Erzeugung von heißen Elektronen, die anschließend unter anderem charakteristische Röntgenstrahlung produzieren sowie starke elektrostatische Felder hervorrufen, welche ihrerseits Ionen beschleunigen können. Die Strahlungs- und Teilchenausbeute kann dabei durch eine Optimierung des Energietransfers zwischen Laser und Elektronen erhöht werden. Mögliche Anwendungen solcher laserinduzierten Sekundärquellen reichen von zerstörungsfreier Bildgebung mittels Protonen- oder Röntgenradiographie über die Zündung von Trägheitsfusionskapseln durch fokussierte Ionenstrahlen bis hin zur Erzeugung gerichteter Neutronenpulse.

Diese Arbeit widmet sich der Untersuchung mikrostrukturierter Targets zur Verbesserung der Laser-Materie-Kopplung. In vorhergehenden Studien hat die Mikrostrukturierung von Targetoberflächen großes Potenzial zur Steigerung des Energietransfers gezeigt, da dadurch relevante Heizmechanismen beeinflusst und sowohl das Wechselwirkungsvolumen als auch die -zeit vergrößert werden können. Eine typische Strukturart sind sogenannte Nanodrähte. Diese fragilen Strukturen sind jedoch vor allem für Lasersysteme mit ultrahohem Kontrast und Pulslängen im Femtosekundenbereich geeignet, weshalb für Hochenergielaser mit längeren Pulsdauern beständigere Mikrostrukturen benötigt werden. In dieser Arbeit werden hierfür kegelförmige, nadelartige Mikrostrukturen durch ultrakurze Laserpulse auf polierten Silizium-Wafern erzeugt, was zu einer dichten Anordnung der Strukturen mit zufälliger Verteilung führt. Dazu wurde ein Versuchsaufbau konzipiert, mit dem eine große Bandbreite von Nadelgeometrien erzeugt werden kann, indem die Bearbeitunsgsparameter eingestellt werden. Dazu zählen u.a. die Eigenschaften des Femtosekundenlasers, das Umgebungsmedium und das Targetmaterial. Darüber hinaus wurde ein Replikationsverfahren entwickelt, welches auf der Abformung mit Polydimethylsiloxan (PDMS) basiert. Der Prozess ermöglicht die Herstellung einer Master-Form, mit dem identische Kopien der Mikrostrukturen aus anderen Materialien wie Polystyrol und Kupfer fabriziert werden können.

Die hergestellten Targets wurden anschließend in experimentellen Kampagnen am PHELIX-Laser am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, Deutschland, und am Omega EP-Laser am Laboratory for Laser Energetics (LLE), Rochester, NY, USA, mit unterschiedlichen Laserkontrasten, -intensitäten und -pulslängen untersucht. Beide Lasersysteme liefern Pulsenergien von über 100 J bei Pulslängen von mehr als 0,5 ps und erfüllen damit eine wichtige Voraussetzung für die Erzeugung leistungsstarker Strahlungs- und Teilchenquellen. Die mikrostrukturierten Targets wurden bezüglich der Erzeugung von Röntgenstrahlung und der Beschleunigung von Ionen mit flachen Folien verglichen. Ergänzend zu den Experimenten wurden 2D Particle-in-Cell (PIC) Simulationen durchgeführt, um den Einfluss der Mikro-Nadeln auf die Elektronenheizprozesse zu untersuchen, die Targetparameter zu optimieren und die experimentellen Ergebnisse zu validieren.

Die mikrostrukturierten Targets zeigten sowohl eine erhöhte Anzahl als auch Maximalenergie der beschleunigten Protonen. Insbesondere durch die Anpassung des Neigungswinkels der Strukturen an den Einfallswinkel des Lasers wurde eine Steigerung der Maximalenergie um 40% im Vergleich zu Strukturen mit einem relativen Winkel von 30° in den Experimenten und den korrespondierenden Simulationen beobachtet. Darüber hinaus erzeugten die mikrostrukturierten Siliziumtargets bei einer Laserpulslänge von 1 ps eine bis zu 13-mal stärkere Heα-Emission und eine 12-mal stärkere Lyα-Linie im Vergleich zu einem flachen Target. Mit längeren Pulslängen nimmt der Einfluss der Strukturen ab, aber auch bei der längsten gemessenen Pulslänge von 20 ps zeigte sich eine Intensitätssteigerung beider Linien. Im Gegensatz zu alternativen Targettypen, wie z.B. Schaumtargets oder Targets mit zusätzlichem Schirm, erzeugen die hier vorgestellten Nadeln einen Röntgenpuls mit definierter Länge und einer kurzen Abklingflanke. Mithilfe der PIC-Simulationen wurde zudem gezeigt, welche Bedeutung die Optimierung der Targetgeometrie für eine weitere Verbesserung des Röntgen- und Teilchenertrags hat. Außerdem wurden die Nadeltargets mit einem anderen typischen Mikrostrukturtyp, den Mikrosäulen, bezüglich ihrer Wirksamkeit für die Protonenbeschleunigung verglichen. Die Ergebnisse, die in dieser Arbeit präsentiert werden, verdeutlichen das Potential mikrostrukturierter Targets für die Verbesserung von laserinduzierten Sekundärquellen.