Hochleistungslaser-Plasmaanlage
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bahnbrechende Entwicklungen neuer Lasertechnologien (chirped pulse amplification) in den letzten 25 Jahren erlauben, Laserpulse bis zu einer Leistung von mehreren Petawatt (Billiarden Watt) mit Subpikosekunden Pulsdauern zu erzeugen. Diese ultrakurzen, superintensiven Laserpulse erzeugen Energiedichten, die höher sind als die im Innern der Sonne, was einzigartige Möglichkeiten zur Untersuchung fundamentaler physikalischer Prozesse im relativistischen Bereich eröffnet. Dadurch werden faszinierende Anwendungen in einem völlig neuen Parametergebiet ermöglicht. Die Laser-Wechselwirkung mit Plasmen liefert somit einzigartige Bedingungen zur Untersuchung von exotischen Materiezuständen und für die Entwicklung neuartiger Photonen- und Teilchenquellen. Zum Beispiel werden Elektronen in Plasmen von ein paar Millimetern Länge bis zu einer Energie von einem GeV beschleunigt; Protonenstrahlen werden erzeugt, die in der naheren Zukunft Anwendung in der Krebstherapie finden werden; und es werden Pulse von intensiven Röntgenstrahlen mit Attosekunden Pulsdauern generiert, die ihren Einsatz bei der Untersuchung von Innerschalenübergängen in Atomen über die Gitterdynamik in Festkörpern bis zur Bildgebung biologischer Objekte haben. Das Lasersystem ARCTURUS des Instituts für Laser- und Plasmaphysik der Universität Düsseldorf mit zwei leistungsstarken Strahlen ist ideal geeignet für Untersuchungen im relativistischen Bereich. Energien von 2.7J mit einer Pulsdauer von 27fs können unabhängig in beiden Strahlen erzeugt werden. Dadurch wird eine große Flexibilität erzeugt, die entweder zwei Experimente gleichzeitig unabhängig voneinander oder Zweistrahlexperimente erlaubt. Verschiedene Forschungsprojekte werden mit dem Lasersystem durchgeführt, insbesondere Projekte, die von den DFG Programmen SFB/TR18 und GRK1203 finanziert werden. Bis jetzt wurden hauptsächlich Elektronen mit einem Laserstrahl beschleunigt. Jedoch können mit dem Upgrade des ARCTURUS Lasersystems jetzt auch Zweistrahl-Beschleunigungsexperimente ausgeführt werden. Die beschleunigten Elektronen vom ersten Strahl werden in einem vom zweiten Strahl erzeugten Plasma nachbeschleunigt. Auch können die magnetischen Felder fiir neue Laser-getriebene Beschleunigungsprozesse der Protonen mittels Protonenfotografie untersucht werden, da ein Strahl für die Laser-Plasma-Wechselwirkung bestimmt ist und der zweite Strahl Protonen für die Radiographie erzeugt. Weiterhin werden ultrakurze Röntgenpulse mittels Laser-beschleunigten Elektronen erzeugt. Der Düsseldorfer Zweistrahllaser ist zum Beispiel eine Voraussetzung fiir eine Thomson-Streuquelle, da mit einem Strahl Elektronen beschleunigt werden, an denen der andere Laserstrahl gestreut wird. Weiterhin werden Messungen durchgeführt, um festzustellen, inwieweit polarisierte Teilchenstrahlen mit intensiven Laserstrahlen erzeugt werden können, die in kernphysikalischen Experimenten von größter Bedeutung sind. Auch die Zellbestrahlung mit Laser-beschleunigten Protonen ist nun möglich. Erste experimentelle Messungen in den verschiedenen Bereichen wurden bereits ausgeführt und hervorragende Resultate erhalten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Controlling the spacing of attosecond pulse trains from relativistic surface plasmas, Phys. Rev. Lett. 106, 185002 (2011)
M. Behmke, D. an der Brügge, C. Rödel, M. Cerchez, D. Hemmers, M. Heyer, O. Jäckel, M. Kübel, G. G. Paulus, G. Pretzler, A. Pukhov, M. Toncian, T. Toncian, O. Willi
- Laser-plasma-accelerators-A novel, versatile tool for space radiation studies, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 636, 31 (2011)
Bernhard Hidding, Thomas Königstein, Oswald Willi, James B. Rosenzweig, Kazuhisa Nakajima and Georg Pretzler
- Optimal proton acceleration from lateral limited foil sections and different laser pulse durations at relativistic intensity, Phys. Plasmas 18, 043105 (2011)
T. Toncian, M. Swantusch, M. Toncian, O. Willi, A.A. Andreev and K.Yu.Platonov
- Particle acceleration in laser-induced relativistic plasmas: a novel approach for polarized sources?, Journal of Physics : Conference Series 295, 012151 (2011)
M. Büscher, I. Engin, P. Gibbon, A. Karmakar, A. Lehrach, T. Mennicken, N. Raab, M. Toncian,T. Toncian, O. Willi
- Properties of a Plasma-Based Laser-Triggered Micro-Lens, AIP Advances 1, 022142 (2011)
T. Toncian, M. Amin, M. Borghesi, C.A. Cecchetti, R.C. Clarke, J. Fuchs, R. Jung, T. Kudyakov, M. Notley, A. C. Pipahl, P. A. Wilson, O. Willi
- Deducing the Electron-Beam Diameter in a Laser-Plasma Accelerator Using X-Ray Betatron Radiation, Phys. Rev. Lett. 108, 075001 (2012)
Michael Schnell, Alexander Sävert, Björn Landgraf, Maria Reuter, Maria Nicolai, Oliver Jäckel, Christian Peth, Tobias Thiele, Oswald Willi, Malte C. Kaluza, and Christian Spielmann
- Harmonic Generation from Relativistic Plasma Surfaces in Ultra-Steep Plasma Density Gradients, Phys. Rev. Lett. 109, 125002 (2012)
C. Rödel, D. an der Brügge, J. Bierbach, M. Yeung, T. Hahn, B. Dromey, S. Herzer, S. Fuchs, A. Galestian Pour, E. Eckner, M. Behmke, M. Cerchez, O. Jäckel, D. Hemmers, T. Toncian, M. C. Kaluza, A. Belyanin, G. Pretzler, O. Willi, A. Pukhov, M. Zepf and G. G. Paulus
- Generation and the spectral composition control of laser driven higher harmonics from grating targets, Phys. Rev. Lett. bf 110, 065003 (2013)
M. Cerchez, A. L. Giesecke, C. Peth, M. Toncian, B. Albertazzi, J. Fuchs, O. Willi, T. Toncian
- Plasma Wakefield Compression as a Route to Petawatt-Class Few-Cycle Laser Pulses, Phys. Rev. E. /bf 87, 033104 (2013)
A. Pipahl, E.A. Anashkina, M. Toncian, T. Toncian, S.A. Skobelev, A.V. Bashinov, A.A. Gonoskov, O. Willi, A.V. Kim
- Polarization measurement of laser-accelerated protons, Phys. Plasmas. 21, 023104 (2014)
N. Raab, M. Büscher, M. Cerchez, R. Engels, I. Engin, P. Gibbon, P. Greven, A. Holler, A. u Karmarkar, A. Lehrach, R. Maier, M. Swantusch, M. Toncian, T. Toncian, O. Willi
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4865096)
