Multi-Pass-Zellen für Laser-Plasmabeschleuniger der nächsten Generation

• Antragsteller: Dr. Christoph Heyl; Professor Dr. Oleg Pronin
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545612524

In den letzten Jahrzehnten wurden intensive ultrakurze optische Felder routinemäßig für eine Vielzahl von Anwendungen genutzt, die von der Untersuchung ultraschneller Licht-Materie-Wechselwirkungen bis zur Erzeugung ultraschneller Quellen reichen. Die heutigen weitreichenden Auswirkungen ultraschneller Laser stellen hohe Anforderungen an die Schlüsseleigenschaften der ultraschnellen Laser von morgen, darunter höchste Spitzen- und Durchschnittsleistungen, kürzeste Pulsdauern und höchste Pulswiderholraten. Insbesondere kompakte, lasergetriebene Plasmabeschleuniger (LPA) werden völlig neue Modalitäten in der medizinischen Diagnostik, Strahlentherapie und industriellen Bildgebung ermöglichen. Obwohl die Laser-Plasma-Beschleunigung in vielen Labors bereits gut etabliert ist, ist die sehr niedrige Wiederholrate ein Haupthindernis für den breiten Einsatz. Dies liegt daran, dass LPA bisher fast ausschließlich auf der Titanium-Sapphir-Laser-Lasertechnologie basiert. Bemerkenswerterweise eröffnet ein Paradigmenwechsel in der Hochleistungslasertechnologie hier nun einen völlig neuen Weg: Effizient nachkomprimierte Ytterbium (Yb)-Laser mit hoher mittlerer Leistung bieten eine ideale Lösung, die höchste Wiederholraten mit höchsten Spitzenleistungen kombiniert. Insbesondere die Entwicklung einer neuen Nachkompressionstechnik, der Multi-Pass-Zelltechnik (MPC), bietet enorme Möglichkeiten. Die Methode hat Rekord-Ergebnisse ermöglicht, die sub-50-fs-Pulse bei mittleren Leistungen von über 1 kW ergeben, sie hat die Femtosekunden-Nachkompression bei Pulsenergien von über 100 mJ mit großen Kompressionsverhältnissen ermöglicht und unterstützt Pulse mit wenigen Zyklen. Somit spielen MPCs bereits heute eine bahnbrechende Rolle auf dem Gebiet der ultraschnellen Optik. Die grundlegenden Mechanismen, die diesen nichtlinearen Quasi-Wellenleitern zugrunde liegen, sind jedoch nur unzureichend verstanden. Aus diesen Überlegungen ergeben sich die folgenden zentralen Herausforderungen: Verständnis der physikalischen Grundlagen der räumlich-zeitlichen Kopplungen und der zeitlichen Pulseigenschaften von MPCs. Insbesondere müssen Methoden entwickelt werden, die nachkomprimierte TW-Klasse-Pulse mit wenigen Zyklen, hohem zeitlichem Pulskontrast und ausgezeichneter räumlicher Strahlqualität ermöglichen. MPC-Quasi-Wellenleiter weisen exzellente Energieskalierungseigenschaften auf. Es müssen jedoch Methoden zur Energieskalierung demonstriert werden, die kompakte Nachkompressionssysteme der Multi-100 mJ-Klasse ermöglichen. Die Bewältigung dieser Herausforderungen erfordert die Entwicklung theoretischer Konzepte sowie gezielte numerische und experimentelle Anstrengungen, die die zeitliche Kompression und Reinigung von Pulsen sowie die Energieskalierung adressieren. Dies wird die ultimative Demonstration hochwertiger Multi-TW-Laserpulse bei kHz-Wiederholraten für LPA-Quellen der nächsten Generation ermöglichen die für hochenergetische Lasersysteme im Allgemeinen bahnbrechend sein werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Louis Daniault, Ph.D.; Dr. Xavier Delen; Dr. Marc Hanna; Dr. Rodrigo Lopez-Martens