Optisches Probing

Optische Probepulse zur Untersuchung relativistischer Laser-Plasma-Wechselwirkungen

Für die detaillierte Untersuchung relativistischer Laser-Plasma-Wechselwirkungen sind verschiedene Diagnostikmethoden geeignet. Bei allen Methoden kann das Wissen um die zeitlich und räumlich aufgelöste Elektrondichte im Plasma mittels einer Anrege-Abfrage-Technik wichtige Erkenntnisse über die zu untersuchende Wechselwirkung liefern.

Eine Methode zur Untersuchung der Wechselwirkungen ist das optische Probing, bei der die Elektronendichte und somit die Laser-Plasma-Interaktion mit Hilfe einer Hintergrundbeleuchtung ähnlich eines kurzen Blitzes beim Fotoapparat und einem optischen Linsensystem auf einen CCD-Chip abgebildet wird. Wegen der relativistischen Geschwindigkeiten, mit denen sich Phänomene im Plasma verändern können, und der sehr kleinen räumlichen Ausdehnung der zu untersuchenden Strukturen, ist dazu eine hohe zeitliche (Femtosekunden-Skala) und räumliche (Mikrometer-Skala) Auflösung des gesamten Abbildungssystems eine entscheidende Voraussetzung.

Mittels eines Hochintensitätslaser (JeTi-40, JeTi-100, POLARIS) als Anrege- oder Hauptpuls haben wir an unserem Lehrstuhl ein Abfrage- oder Probepulssystem mit ultrakurzer Pulsdauer für jeden der drei Laser entwickelt. Dabei basieren die Probepulssysteme für das JeTi-40- und JeTi-100-Lasersystem auf dem gleichen Prinzip der Kurzpulserzeugung mit Hilfe von Selbstphasenmodulation in einer mit Gas gefüllten Hohlkernfaser, während am POLARIS-System ein Probesystem durch Kurzpulserzeugung in einem Kristall und einem anschließenden nicht-kollinearen optisch parametrischen Verstärker (NOPA) implementiert wurde.

Dabei müssen die Probepulse neben einer ultrakurzen Pulsdauer zur zeitlichen Auflösung der Laser-Plasma-Interaktion noch weitere Kriterien erfüllen. Der Strahldurchmesser des Pulses sollte groß genug sein, um die Interaktionsregion beleuchten zu können und ein homogenes Strahlprofil aufweisen. Die Energie im Probepuls sollte so niedrig sein, dass dieser Puls die zu untersuchende Wechselwirkung nicht beeinflusst und beispielsweise das Target ionisiert, aber hoch genug, um eine gute Ausleuchtung der Interaktion zu gewährleisten. Diese Kriterien wurden mit dem JeTi- und POLARIS-Probesystem jeweils erfüllt.

Die Kombination aus hochintensivem Hauptpuls und ultrakurzem Probepuls zusammen mit einem hochauflösenden optischen Systems ermöglicht beispielsweise die Aufnahme von Schattenbildern der Laser-Plasma-Wechselwirkung mit einer hohen zeitlichen Auflösung, die Bestimmung des lokalen Plasmadichte-Profils für verschiedenste Versuchskonfigurationen oder die Untersuchung von zuvor simulierten relativistischen Prozessen im Plasma.