Laser-Plasma-Anlage
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Laser-Plasma-Anlage in der Arbeitsgruppe „Laser-Materie-Wechselwirkung“ der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf dient der Untersuchung von Laserrplasmen, die mit einem sub-10-fs–Laser erzeugt werden, und Anwendungsexperimenten. Folgende Themen sind seit Inbetriebnahem des Geräts in Arbeit: (1) Laser-Plasma-Physik mit few-cycle-Pulsen: Hier wird die Wechselwirkung mit den kürzestmöglichen Lichtpulsen untersucht, mit Schwerpunkt auf Absorptionsphänomenen an Festkörpern und auf dem Transfer der Energie auf die Elektronenpopulation. Beim Durchfahren der maximalen Intensität um ca. 6 Größenordnungen (von der Plasmabildungsschwelle bis auf fast 10^18 W/cm^2 zeigen sich verschiedene Regimes (sichtbar z.B. durch den stark variierenden reflektierten Anteil), die verschiedenen Prozessen zugeordnet werden können, die mit längeren Pulsen zeitlich hintereinander ablaufen, mit dem hier angeschafften Gerät aber einzeln aufgelöst werden können. Die emittierten Elektronen zeigen eine typische Richtungsverteilung und Energiespektren, die weit über das erwartete Maß hinausgehen. Dies konnte durch einen neuen Mechanismus der Nachbeschleunigung in den entstehenden transienten Raumladungsfeldern erklärt werden. Die CEP-Variation, die mit dem hier angeschafften Gerät erstmals so möglich ist, zeigte eine überraschend starke Abhängigkeit der Elektronenanzahl von der Lichtphase. Dies führte zur Schlussfolgerung, dass die Ionisation hoher Zustände im Pulsmaximum sehr starken Einfluss auf die globalen Plasmaparameter hat. Die Untersuchung der Plasmaexpansion mit einem präzisen Probestrahl erlaubt Untersuchungen mit µm- und 10-fs-Auflösung und zeigte erstmals klar, dass es zwei Expansionsphasen gibt: eine erste (ausschließlich von Elektronen) auf einer fs-Zeitskala und eine zweite, eher hydrodynamisch Phase auf einer ps-Skala. Auch dies ist vor allem deshalb so klar sichtbar, weil Anregung und Abfragemit einem sub-10-fs-Laser gemacht wurden. (2) Erzeugung und Diagnostik ultrakurzer Röntgenpulse: In Gasen (Gasjet und Kapillare) werden Hohe Harmonische und Attosekunden-Pulse erzeugt. Erste Versuche zu Separation einzelner as-Pulse sind vielversprechend. Die Pulse werden einerseits genau untersucht (z.B. neu entwickeltes Gerät zur XUV-Polarimetrie, Bestimmung der Kohärenzlänge) und andererseits als Probestrahl verwendet (z.B. verschiedene interferometrische Methoden mit Harmonischen, Phasenkontrast-Durchleuchtung). (3) Ionisation von Gasen: Die Ionisation von Gasen wird aktuell mit verschiedenen, neu entwickelten Fokussiergeometrien untersucht mit der Zielsetzung, ein möglichst kleines Volumen zu erhalten, innerhalb dessen möglichst stark ionisiert wird. Dies soll einen dichten , stark lokalisierten und möglichst kalten Elektronenbunch erzeugen, der für ein Verbundprojekt mit DESY und Uni Jena als Ausgangspunkt für eine neue Plasmabeschleunigungstechnik verwendet werden kann. In dichtem Gas laufen Arbeiten zur Untersuchung der Ionisationsdynamik durch Spektroskopie des Restlichts, bei der mittels Analyse der Ionisations-Blauverschiebung und Selbstphasenmodulation auf die zyklenweise Ionisationseffizienz geschlossen werden soll, was nur dank des sub-10-fs-Lasers mit seiner CEP-Kontrolle möglich ist. (4) Untersuchung der Ablation von Materie mit fs-Pulsen in einem breiten Intensitätsbereich und Charakterisierung der ablatierten Materie mittels Spektroskopie. Ziel ist die Etablierung eines Verfahrens, mit dem Wasserstoff identifiziert und quantifiziert werden kann, der in verschiedenen Materialien eingelagert ist. Diese Methode könnte ein Kandidat sein, um in zukünftigen Fusionsreaktoren eine in-situ-Diagnostik für die Tritium-Einlagerung in den Wänden bereitzustellen. Erste Experimente zeigen sehr stark lokalisierten Energieeintrag – durch die ultrakurzen Pulse spielt Aufheizung der Umgebung durch Wärmeleitung keine Rolle – und nachweisbare Spektren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Broadband XUV polarimetry of high harmonics from plasma surfaces using multiple Fresnel reflections. Appl. Phys. B 118, 241–245 (2015)
T. Hahn, et al.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00340-014-5977-9) - Fast electrons generated by quasistatic electric fields of a fs-laser-pulseinduced plasma. Phys. Rev. E 96, 033201 (2017)
F. Kleeschulte, B. Hagmeister, D. Hemmers, G. Pretzler
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevE.96.033201)
