TRR 18:  Relativistische Laser-Plasma-Dynamik

• Fachliche Zuordnung: Physik
• Förderung: Förderung von 2004 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5486099

• Erstellungsjahr: 2016

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Bahnbrechende Entwicklungen neuer Lasertechnologien (”chirped pulse amplification”) in den letzten 30 Jahren erlauben es, 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 eröffnet. Dadurch werden faszinierende Anwendungen in einem völlig neuen Parametergebiet ermöglicht. Die Laser-Wechselwirkung mit Plasmen liefert somit einzigartige Bedingungen für Studien der relativistischen Physik. Die Thematik des SFBs reichte von der Erzeugung und Anwendung von Attosekunden-Pulsen (Trillionster Teil einer Sekunde) bis zur Untersuchung von exotischen Materiezuständen unter relativistischen Bedingungen. Insbesondere wurden neue Photonen- und Teilchenquellen entwickelt und physikalische Prozesse im relativistischen Bereich untersucht. Zum Beispiel wurden Elektronen in Plasmen von ein paar Millimetern Länge bis zu einer Energie von einem GeV beschleunigt, Protonenstrahlen wurden erzeugt, die in der näheren Zukunft Anwendung in der Krebstherapie finden könnten, und Pulse von intensiven Röntgenstrahlen generiert mit der Möglichkeit, quantenelektrodynamische Effekte zu untersuchen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A laser-plasma accelerator producing monoenergenic electron beams, Nature 431, 541 (2004)
  J. Faure, Y. Glinec, A. Pukhov, S. Kiselev, S. Gordienko, E. Lefebvre, J.P. Rousseau, F. Burgy and V. Malka
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nature02963)
• Dynamics of electric fields driving laser acceleration of multi-MeV protons, Phys. Rev. Lett. 95, 195001 (2005)
  L. Romagnani, J. Fuchs, M. Borghesi, P. Antici, P. Audebert, F. Ceccherini, T. Cowan, T. Grismayer, S. Kar, A. Macchi, P. Mora, G. Pretzler, A. Schiavi, T. Toncian and O. Willi
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.95.195001)
• Study of electron beam propagation through pre-ionized dense foam plasmas, Phys. Rev. Lett. 94, 195001 (2005)
  R. Jung, J. Osterholz, K. öwenbrück, S. Kiselev, G. Pretzler, A. Pukhov, O. Willi, S. Kar, M. Borghesi, W. Nazarov, S. Karsch, R. Clarke and D. Neely
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.94.195001)
• Generation of Quasimonoenergetic Electron Bunches with 80-fs Laser Pulses, Phys. Rev. Lett. 96, 105004 (2006)
  B. Hidding, K.U. Amthor, B. Liesfeld, H. Schwoerer, S. Karsch, M. Geissler, L. Veisz, K. Schmid, J.G. Gallacher, S.P. Jamison, D. Jaroszynski, G. Pretzler and R. Sauerbrey
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.96.105004)
• Laser-driven proton scaling laws and new paths towards energy increase, Nature Phys. 2, 48 (2006)
  J. Fuchs, P. Antici, E. d’Humières, E. Lefebvre, M. Borghesi, E. Brambrink, C.A. Cecchetti, M. Kaluza, V. Malka, M. Manclossi, S. Meyroneinc, P. Mora, J. Schreiber, T. Toncian, H. Pepin and P. Audebert
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nphys199)
• Laser-plasma acceleration of quasi-monoenergetic protons from microstructured targets, Nature 439, 445-448 (2006)
  H. Schwoerer, S. Pfotenhauer, O. J¨ackel, K.-U. Amthor, B. Liesfeld, W. Ziegler, R. Sauerbrey, K. Ledingham and T. Esirkepov
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nature04492)
• Quasimonoenergetic Deuteron Bursts Produced by Ultraintense Laser Pulses, Phys. Rev. Lett. 96, 145006 (2006)
  S. Ter-Avetisyan, M. Schnürer, P. V. Nickles, M. Kalashnikov, E. Risse, T. Sokollik, W. Sandner, A. Andreev, and V. Tikhonchuk
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.96.145006)
• Thomson-Backscattered X-Rays From Laser-Accelerated Electrons, Phys. Rev. Lett. 96, 014802 (2006)
  H. Schwoerer, B. Liesfeld, H.-P. Schlenvoigt, K.-U. Amthor and R. Sauerbrey
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.96.014802)
• Ultrafast laser driven micro-lens to focus MeV proton, Science 312, 410 (2006)
  T. Toncian, M. Borghesi, J. Fuchs, E. d’Humieres, P. Antici, P. Audebert, E. Brambrink, C. A. Cecchetti, A. Pipahl, L. Romagnani and O. Willi
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1126/science.1124412)
• Generation of intense continuum extreme-ultraviolet radiation by many-cycle laser fields, Nature Phys. 3, 846 (2007)
  P. Tzallas, E. Skantzakis, C. Kalpouzos, E. P. Benis, G. D. Tsakiris and D. Charalambidis
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nphys747)
• A compact sychrotron radiation source driven by a laser plasma wakefield accelerator, Nature Phys. 4, 130 (2008)
  H.-P. Schlenvoigt, K. Haupt, A. Debus, F. Budde, O. Jäckel, S. Pfotenhauer, H. Schwoerer, E. Rohwer, J. Gallacher, E. Brunetti, R. Shanks, S. Wiggins and D. Jaroszynski
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nphys811)
• Attosecond phase locking of harmonics emitted from laser-produced plasmas, Nature Phys. 5, 124 (2009)
  Y. Nomura, R. Hörlein, P. Tzallas, B. Dromey, S. Rykovanov, Zs. Major, J. Osterhoff, S. Karsch, L. Veisz, M. Zepf, D. Charalambidis, F. Krausz and G. D. Tsakiris
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nphys1155)
• Directional laser-driven ion acceleration from microspheres, Phys. Rev. Lett. 103, 135003 (2009)
  T. Sokollik, M. Schnuerer, S. Steinke, P.V. Nickles, W. Sandner, M. Amin, T. Toncian, O. Willi and A.A. Andreev
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.103.135003)
• Few-Cycle Laser-Driven Electron Acceleration, Phys. Rev. Lett. 102, 124801 (2009)
  K. Schmid, L. Veisz, F. Tavella, S. Benavides, R. Tautz, D. Herrmann, A. Buck, B. Hidding, A. Marcinkevicius, U. Schramm, M. Geissler, J. Meyer-Ter-Vehn, D. Habs and F. Krausz
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.102.124801)
• Laser-Driven Shock Acceleration of Ion Beams from Spherical Mass-Limited Targets, Phys. Rev. Lett. 102, 095022 (2009)
  A. Henig, D. Kiefer, M. Geissler, S.G. Rykovanov, R. Ramis, R. H¨orlein, J. Osterhoff, Z. Major, L. Veisz, S. Karsch, F. Krausz, D. Habs and J. Schreiber
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.102.095002)
• Laser-driven soft x-ray undulator source, Nature Phys. 5, 826 (2009)
  M. Fuchs, R. Weingartner, A. Popp, Zs. Major, S. Becker, J. Osterhoff, I. Cortrie, R. Hörlein, G. D. Tsakiris, U. Schramm, T. P. Rowlands-Rees, S. M. Hooker, D. Habs, F. Krausz, S. Karsch and F. Grüner
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nphys1404)
• Momentum signatures for Schwinger pair production in short laser pulses with sub-cycle structure, Phys. Rev. Lett. 102, 150404 (2009)
  F. Hebenstreit, R. Alkofer, G. V. Dunne and H. Gies
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.102.150404)
• Radiation-Pressure Acceleration of Ion Beams Driven by Circularly Polarized Laser Pulses, Phys. Rev. Lett. 103, 245003 (2009)
  A. Henig, S. Steinke, M. Schnürer, T. Sokollik, R. Hörlein, D. Kiefer, D. Jung, J. Schreiber, B.M. Hegelich, X.Q. Yan, J. Meyer-ter-Vehn, T. Tajima, P.V. Nickles, W. Sandner and D. Habs
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.103.245003)
• Controlling the spacing of attosecond pulse trains from relativistic surface plasmas, Phys. Rev. Lett. 106, 185002 (2011)
  M. Behmke, D. a.d. Brügge, C. Rödel, M. Cerchez, D. Hemmers, M. Heyer, O. Jäckel, M. Kübel, G. G. Paulus, G. Pretzler, A. Pukhov, M. Toncian, T. Toncian and O. Willi
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.106.185002)
• Real-time observation of laser-driven electron acceleration, Nature Phys. 7, 543 (2011)
  A. Buck, M. Nicolai, K. Schmid, C. M. S. Sears, A. S¨avert, J. Mikhailova, F. Krausz, M. C. Kaluza and L. Veisz
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nphys1942)
• Ultrahigh-contrast few-cycle pulses for multipetawatt-class laser technology, Opt. Lett. 36, 3145 (2011)
  J. M. Mikhailova, A. Buck, A. Borot, K. Schmid, C. M. S. Sears, G. D. Tsakiris, F. Krausz, and L. Veisz
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1364/ol.36.003145)
• Characterizing the electron-beam source size from a laser-plasma electron accelerator with betatron radiation, Phys. Rev. Lett. 108, 075001 (2012)
  M. Schnell, A. S¨avert, B. Landgraf, M. Reuter, M. Nicolai, O. J¨ackel, C. Peth, T. Thiele, O. Jansen, A. Pukhov, O. Willi, M. C. Kaluza and C. Spielmann
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.108.075001)
• Few-cycle driven relativistically oscillating plasma mirrors: a source of intense isolated attosecond pulses, Phys. Rev. Lett. 108, 235003 (2012)
  P. Heissler, R. Hörlein, J. M. Mikhailova, L. Waldecker, P. Tzallas, A. Buck, K. Schmid, C. M. S. Sears, F. Krausz, L. Veisz, M. Zepf, and G. D. Tsakiris
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.108.235003)
• Magnetically amplified tunneling of the 3rd kind as a probe of minicharged particles, Phys. Rev. Lett. 109, 131802 (2012)
  B. Döbrich, H. Gies, N. Neitz and F. Karbstein
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.109.131802)
• Generation and the spectral composition control of laser driven higher harmonics from grating targets, Phys. Rev. Lett. 110, 065003 (2013)
  M. Cerchez, A. L. Giesecke, C. Peth, M. Toncian, B. Albertazzi, J. Fuchs, O. Willi and T. Toncian
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.110.065003)
• High-precision x-ray polarimetry, Phys. Rev. Lett. 110, 254801 (2013)
  B. Marx, K. S. Schulze, I. Uschmann, T. Kämpfer, R. Lötzsch, O. Wehrhan, W. Wagner, C. Detlefs, T. Roth, J. Härtwig, E. Förster, T. Stöhlker, and G. G. Paulus
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.110.254801)
• Optical control of hard X-ray polarization by electron injection in a laser wakefield accelerator, Nature Comm. 4, 2421 (2013)
  M. Schnell, A. Sävert, I. Uschmann, M. Reuter, M. Nicolai, T. Kämpfer, B. Landgraf, O. Jäckel, O. Jansen, A. Pukhov, M.C. Kaluza and C. Spielmann
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms3421)
• Shock-Front Injector for High-Quality Laser-Plasma Acceleration, Phys. Rev. Lett. 110, 185006 (2013)
  A. Buck, J. Wenz, J. Xu, K. Khrennikov, K. Schmid, M. Heigoldt, J.M. Mikhailova, M. Geissler, B. Shen, F. Krausz, S. Karsch, and L. Veisz
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.110.185006)
• Parametric amplification of attosecond pulse trains at 11 nm, Scientific Reports 4, 7356 (2014)
  J. Seres, E. Seres, B. Landgraf, B. Ecker, B. Aurand, A. Hoffmann, G. Winkler, S. Namba, T. Kühl and C. Spielmann
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/srep04254)
• Radiation-reaction trapping of electrons in extreme laser fields, Phys. Rev. Lett. 112, 145003 (2014)
  L. L. Ji, A. Pukhov, I. Y. Kostyukov, B. F. Shen and K. Akli
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.112.145003)
• Direct observation of the injection dynamics of a laser wakefield accelerator using few-femtosecond shadowgraphy, Phys. Rev. Lett. 115, 055002 (2015)
  A. Sävert, S.P.D. Mangles, M. Schnell, E. Siminos, J. M. Cole, M. Leier, M. Reuter, M.B. Schwab, M. M¨oller, K. Poder, O. J¨ackel, G. G. Paulus, C. Spielmann, S. Skupin, Z. Najmudin and M. C. Kaluza
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.115.055002)
• Electron rephasing in a Laser-Wakefield Accelerator, Phys. Rev. Lett. 115, 155002 (2015)
  E. Guillaume, A. Döpp, C. Thaury, K. Ta Phuoc, A. Lifschitz, J.-P. Goddet, A. Tafzi, D. Douillet, G. Rey, S.-W. Chou, L. Veisz, and V. Malka
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.115.155002)
• Noncollinear Polarization Gating of Attosecond Pulse Trains in the Relativistic Regime, Phys. Rev. Lett. 115, 193903 (2015)
  M. Yeung, J. Bierbach, E. Eckner, S. Rykovanov, S. Kuschel, A. S¨avert, M. F¨orster, C. R¨odel, G. G. Paulus, S. Cousens, M. Coughlan, B. Dromey and M. Zepf
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.115.193903)
• Quantitative X-ray phase-contrast microtomography from a compact laser-driven betatron source, Nature Comm. 6, 7568 (2015)
  J. Wenz, S. Schleede, K. Khrennikov, M. Bech, P. Thibault, M. Heigoldt, F. Pfeiffer and S. Karsch
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms8568)
• Tunable All-Optical Quasi mono-chromatic Thomson X-Ray Source in the Nonlinear Regime, Phys. Rev. Lett. 114, 195003 (2015)
  K. Khrennikov, J. Wenz, A. Buck, J. Xu, M. Heigoldt, L. Veisz, and S. Karsch
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.114.195003)
• Bright high-order harmonic generation with controllable polarization from a relativistic plasma mirror, Nature Comm. 7, 12515 (2016)
  Zi-Yu Chen and A. Pukhov
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms12515)
• Bright X-Ray Source from a Laser- Driven Microplasma Waveguide, Phys. Rev. Lett. 116, 115001 (2016)
  Longqing Yi, Alexander Pukhov, Phuc Luu-Thanh and Baifei Shen
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.116.115001)
• Guided post-acceleration of laser driven ions by a miniature modular structure, Nature Comm. 7, 10792 (2016)
  Satyabrata Kar, Hamad Ahmed, Rajendra Prasad, Mirela Cerchez, Stephanie Brauckmann, Bastian Aurand, Giada Cantono, Prokopis Hadjisolomou, Ciaran L.S. Lewis, Andrea Macchi, Gagik Nersisyan, Alexander Paul L. Robinson, Anna M. Schroer, Marco Swantusch, Matt Zepf, Oswald Willi and Marco Borghesi
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms10792)
• Optimizing laser-driven proton acceleration from overdense targets, Scientific Reports 6, 29402 (2016)
  A. Stockem Novo, M. C. Kaluza, R. A. Fonseca, and L. O. Silva
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/srep29402)
• Transient plasma photonic crystals for high-power lasers, Phys. Rev. Lett. 116, 225002 (2016)
  G. Lehmann and K.H. Spatschek
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.116.225002)