Ionenbeschleunigung im Laser-Transparenz Regime

Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue, verbesserte Ansätze zur Ionenbeschleunigung mit kurzen, intensiven Laser Pulsen untersucht und charakterisiert. Die verwendeten Laser Pulse mit relativistischer Intensität und sehr hohem Intensitätskontrast ermöglichten die Verwendung von Folien-Targets mit Dicken unterhalb der Eindringtiefe des Laserspulses (~nm) und somit erstmals Experimente im sog transparenten Regime. Im Gegensatz zu undurchsichtigen, dicken Folientargets, erlauben transparente Targets die Teilnahme der gesamten Elektronenpopulation im fokalen Volumen an der Beschleunigung und die Anpassung der Gruppengeschwindigkeiten von Laserfeld, Elektronen und Ionen. Die dargestellten Ergebnisse erweitern das bekannte Bild der „Target Normal Sheath Acceleration (TNSA)“ bei dem die Energie des Lasers an der Vorderseite eines lichtundurchlässiges Festkörpertargets in kinetische Energie von Plasmaelektronen umgewandelt wird. Diese so erzeugten „heißen“ Elektronen breiten sich durch das Target aus und erzeugen ein quasi-statisches elektrisches Feld an der Rückseite, das wiederum die Ionen beschleunigt. Aufgrund der hohen Reflektivität des Lasers und der lateralen Ausbreitung der Elektronen ist hierbei die Konversionseffizienz sehr gering, typischerweise ~1%. Außerdem weist die spektrale Verteilung der beschleunigten Ionen einen exponentiellen Verlauf auf. Mit der Entwicklung eines Doppel-Plasmaspiegels, der den zeitlichen Intensitätskontrast des Laserpulses um ca. vier Größenordnungen erhöht, ohne dabei die Qualität der Wellenfront zu beeinflussen, konnten erstmalig derartige ultra-dünne Folien eingesetzt werden. Der Energiedurchsatz dieses Plasmaspiegelsystems betrug 60-65%. Als Targets dienten „Diamond-Like-Carbon (DLC)“ Folien, die senkrecht, mit linear polarisierten Laserpulsen bestrahlt wurden. Damit konnte eine optimale Ionenbeschleunigung bei einer Dicke von 5.3nm nachgewiesen werden, die zu einer Verdopplung der maximalen Energie der Protonen auf 13MeV, und einer Erhöhung um das 20-fache bei Kohlenstoff Ionen (71MeV) führte, verglichen mit Experimenten an Lasersystemen mit ähnlichen Parametern. Das Auftreten dieses Optimums wird darauf zurückgeführt, dass bei ultra-dünnen Targets die ponderomotive Kraft die der Laserspuls auf die Elektronen ausübt, die elektrostatische Rückstellkraft der ruhenden Ionen übersteigt und somit die Elektronen aus dem Einflussbereich der Ionen entfernt. Bei dickeren Targets ist die ponderomotive Kraft nicht ausreichend, um diese maximale Polarisation zu bewirken. Hierbei wurde auch eine wesentliche Erhöhung der Konversionseffizienz für die Erzeugung von C6+ um zwei Größenordnungen auf 10% erreicht. Allerdings war die energetische Verteilung der Ionen noch geprägt von der exponentiellen Energieverteilung der „heißen“ Elektronen und somit ebenfalls exponentiell. Im Weiteren wurde auch zirkulare Laserpolarisation verwendet, um relativistisches (v x B) - „Heizen“ als dominanten Absorptionsprozess zu unterdrücken. Damit werden die Plasmaelektronen unter den o.g. Optimalbedingungen komprimiert und können somit als Spiegel betrachtet werden, der weniger Impuls zugunsten von mehr Energie gewinnt, wenn er beschleunigt wird. Die Ionenbeschleunigung erfolgt dann in einem mitbewegtem elektrischen Feld und führt intrinsisch zu monoenergetischen Spektren. Diese Lichtdruckbeschleunigung konnte hier erstmals experimentell verifiziert werden, wobei Anzahl und Energie der Elektronen verringert und ein ausgeprägter Peak in der Verteilung der C6+ Ionen um die 30MeV beobachtet wurde. Das zusätzliche Auftreten höherer Harmonischer des einfallenden Lasers gemessen in dessen Ausbreitungsrichtung ermöglicht einen detaillierten Einblick in die Plasmadynamik während des Beschleunigungsprozesses. So konnte die instantane Plasmadichte anhand des spektralen Abbruchs der Harmonischen bestimmt- und auf eine eindimensionale Expansion zurückgeführt werden.In this work novel, approved approaches for the acceleration of ions by short, intense laser pulse are investigated and characterized. The applied laser pulses with relativistic intensities and ultra-high temporal contrast enabled the application of foil targets with thicknesses below the collisionless skin depth of the laser (~nm) and hence the first experiments in the laser transparency regime. In contrast to opaque, thick foils these targets allow the participation of all electrons in the focal volume in the acceleration and a group velocity matching of laser field, electrons and ions. The presented results expand the known picture of Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) where the energy of the laser pulse is transferred to kinetic energy of plasma electrons at front side of an opaque, solid target. These “hot electrons” expand throughout the target and induce a quasi-static electric field at the rear side that in turn accelerates the ions. The conversion efficiency of this process is very low due to the high reflectivity of the laser and the lateral spreading of the electrons – typically ~1%. Additionally, the spectral shape of the accelerated ions exhibits an exponential slope. With the help of a Double-Plasma-Mirror (DPM) the temporal contrast of the laser pulse could be enhanced by approximately 4 orders of magnitude, without any distortion of the wave front. In the first place, the DPM allowed the deployment of nm-thin foils. An energy throughput of the system of 60-65% was obtained. Diamond-like-Carbon (DLC) foils with thicknesses down to 2nm were used as targets. They were illuminated with linear polarized laser pulses at normal incidence and an optimum thickness for ion acceleration of 5.3nm was demonstrated. At this optimum thickness, the proton energy was enhanced by a factor of two (13MeV) and in case of carbon ions by a factor of 20 (71MeV) compared to experiments with similar laser parameters, accompanied by a significant enhancement of the conversion efficiency up to values of about 10%. The existence of such an optimum is attributed to a pressure unbalance of the ponderomotive force of the laser and the restoring electrostatic force raised by the ions remaining at rest. If the ponderomotive exceeds the electrostatic force, the electrons are expelled from the sphere of influence of the ions and hence the ion acceleration is less effective. In case of thicker targets, the ponderomotive force is not sufficient to exert the maximum polarization between electrons and ions. However the spectral shape of the ions was still exponential as in imprint of the exponential distribution of the hot electrons. Consequently, in the following circular polarization was used to suppress (v x B) – heating as the dominant laser absorption process. According to that, the plasma electrons are compressed and can be regarded as a mirror that gains more energy in favour of less momentum if accelerated. Then the ion acceleration occurs in a co-moving electrical field and intrinsically leads to a mono-energetic spectrum. This dominant acceleration by the laser radiation pressure could be experimentally demonstrated for the first time. The number and energy of accelerated electrons could be reduced and a distinct peak in the carbon spectrum was obtained centred around 30MeV. Furthermore, the harmonic radiation of the incident laser was measured giving a detailed insight into the plasma dynamics during the acceleration. This allowed the determination of the instantaneous plasma density by the spectral cut-off the harmonics which could be ascribed to one dimensional plasma expansion