Harte Röntgenstrahlung aus relativistischen Laserplasmen und ...

3 Laser-Plasma Wechselwirkungen
Die Basis aller in dieser Arbeit behandelten Experimente zu lasererzeugter Röntgen-
bremsstrahlung bzw. Linienstrahlung ist die Wechselwirkung eines Sub-Pikosekunden
Laserpulses mit Materie. Die Wechselwirkungsprozesse, die die Erzeugung eines
Plasmas und die nachfolgende Beschleunigung von Plasmaelektronen bewirken und
in zweiter Instanz zur Erzeugung von Röntgenstrahlung führen, sind sehr vielfältig.
So beeinflussen die Wahl des Targetmaterials, sowie Intensität, Energie und zeitli-
che Struktur des Laserpulses die Dichte und die räumliche Ausdehnung des Plasmas.
Diese Parameter wirken sich empfindlich auf die Beschleunigung der Plasmaelektro-
nen aus. Durch die komplexen realen Bedingungen sind viele der wirkenden Be-
schleunigungsprozesse experimentell nicht voneinander zu trennen. Dies erschwert
die theoretische Beschreibung experimenteller Szenarien ebenso wie die Optimierung
im Hinblick auf maximale Elektronenausbeute und -energie.
In den folgenden Abschnitten werden die Prozesse, die zur Plasmabildung und
Beschleunigung von Plasmaelektronen im intensiven Laserfeld führen, im Hinblick
auf die Erzeugung von Röntgenstrahlung näher betrachtet.
3.1 Plasmaerzeugung und Beschleunigung relati-
vistischer Elektronen
Laserpulse haben kein beliebig steiles zeitliches Intensitätsprofil, so daß, noch be-
vor der Bereich der höchsten Intensität das Target erreicht, die ansteigende Flanke
des Pulses und kleine Vorpulse ein Plasma auf der Festkörperoberfläche erzeugen.
Folglich kann nie die Wechselwirkung des intensiven Feldes mit dem Festkörper be-
obachtet werden. Der intensivste Bereich des Laserpulses wechselwirkt immer mit
einem Plasma.
Bereits bei Intensitäten von etwa 10 10 W/cm 2 , also im Bereich der vorderen Flan-
ke des Laserpulses, setzen Multi-Photonen-Ionisationsprozesse ein. Ab Intensitäten
von etwa 10 14 W/cm 2 ist die Feldstärke im Fokus hoch genug, um das Atompotential
soweit abzusenken, daß Tunnelionisation und bei noch höheren Intensitäten schließ-
lich Feldionisation eintritt. Diese Ionisationsprozesse verstärken sich lawinenartig
durch Sekundärionisation durch Elektronen – das Ergebnis ist ein heißes Plasma.
Wird das Plasma durch kleine Vorpulse erzeugt, die bei jedem realen Laser-
puls im Bereich von Nanosekunden oder Pikosekunden vor dem Hauptpuls auf das
Target treffen, so hat es Zeit, sich auszudehnen, bevor der Hauptpuls eintrifft. Die
Plasmadichte ne und der Dichtegradient des Plasmas ändern sich also mit der Zeit.
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