Laser-Wakefield-Beschleunigung am JETI-Einfluss der ...
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<strong>Laser</strong>-<strong>Wakefield</strong>-<strong>Beschleunigung</strong> <strong>am</strong> <strong>JETI</strong><br />
<strong>Einfluss</strong> <strong>der</strong> Pulspar<strong>am</strong>eter des <strong>Laser</strong>s auf den<br />
<strong>Beschleunigung</strong>sprozess<br />
Diplomarbeit<br />
Friedrich-Schiller-Universität Jena<br />
Physikalisch-Astronomische Fakultät<br />
eingereicht von Christina Widmann<br />
geboren <strong>am</strong> 2. Juli 1984 in Schr<strong>am</strong>berg
1. Gutachter:<br />
Prof. Dr. Malte C. Kaluza<br />
2. Gutachter:<br />
Prof. Dr. Stefan Skupin<br />
Tag <strong>der</strong> Verleihung des Diploms:
Inhaltsverzeichnis<br />
1. Einleitung 1<br />
2. Grundlagen 3<br />
2.1. <strong>Laser</strong>pulse und ihre Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3<br />
2.1.1. Beschreibung kurzer <strong>Laser</strong>pulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3<br />
2.1.2. Winkelchirp und Pulsfrontverkippung . . . . . . . . . . . . . . . . 6<br />
2.1.3. Ausbreitung eines Gauß-Strahls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8<br />
2.2. Grundlagen <strong>der</strong> Plasmaphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9<br />
2.2.1. Eigenschaften eines Plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10<br />
2.2.2. Elektromagnetische Wellen im Plasma . . . . . . . . . . . . . . . . 11<br />
2.3. <strong>Laser</strong>-<strong>Wakefield</strong>-<strong>Beschleunigung</strong> . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12<br />
2.3.1. Bewegung eines Elektrons im <strong>Laser</strong>feld . . . . . . . . . . . . . . . . 12<br />
2.3.2. Die pon<strong>der</strong>omotive Kraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14<br />
2.3.3. Relativistische Optik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15<br />
2.3.4. Der <strong>Beschleunigung</strong>sprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18<br />
3. Aufbau 24<br />
3.1. Das <strong>JETI</strong>-<strong>Laser</strong>system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24<br />
3.1.1. Aufbau des Kompressors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24<br />
3.1.2. Messung <strong>der</strong> Pulsfrontverkippung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25<br />
3.2. Der experimentelle Aufbau mit Diagnostik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26<br />
3.2.1. Aufbau in <strong>der</strong> Experimentierk<strong>am</strong>mer . . . . . . . . . . . . . . . . . 26<br />
3.2.2. Bestimmung <strong>der</strong> Intensität im Fokus . . . . . . . . . . . . . . . . . 28<br />
3.2.3. Diagnostik für Elektronen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29<br />
4. Experimente 30<br />
4.1. Verkippung <strong>der</strong> Pulsfront . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30<br />
4.1.1. Horizontale Pulsfrontverkippung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30<br />
4.1.2. Vertikale Pulsfrontverkippung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2. Variation <strong>der</strong> Ladungsträgerdichte bei unterschiedlicher Pulsenergie des<br />
<strong>Laser</strong>s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41<br />
4.3. Variation <strong>der</strong> Pulsdauer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49<br />
5. Zus<strong>am</strong>menfassung 54<br />
Anhang 57<br />
A. Berechnung des Kippwinkels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57<br />
B. Verkippen des zweiten Gitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
1. Einleitung<br />
Relativistische Elektronenpakete finden Anwendung in vielen Bereichen <strong>der</strong> Grundlagenforschung.<br />
Mit Energien von einigen GeV werden sie genutzt, um in Undulatoren o<strong>der</strong><br />
Freie-Elektronen-<strong>Laser</strong>n kurzwellige Strahlung zu erzeugen, im Energiebereich von einigen<br />
10 GeV finden sie in Experimenten <strong>der</strong> Elementarteilchenphysik Anwendung. Durch<br />
die Limitierung des <strong>Beschleunigung</strong>sgradienten in konventionellen Beschleunigern auf<br />
wenige 10 MV/m sind lange <strong>Beschleunigung</strong>sstrecken nötig, um Elektronenenergien in<br />
diesen Bereichen zu erreichen.<br />
Der von Tajima und Dawson erstmals vorgeschlagene <strong>Laser</strong>-<strong>Wakefield</strong>-Beschleuniger 1<br />
bietet eine Alternative zu konventionellen Beschleunigern. Durch hochintensive <strong>Laser</strong>pulse<br />
aus <strong>Laser</strong>systemen, die auf dem Prinzip <strong>der</strong> Chirped Pulse Amplification 2 beruhen,<br />
wird dabei eine Plasmawelle angeregt. Bricht diese Welle, werden Elektronen in <strong>der</strong>en Fel<strong>der</strong><br />
injiziert und darin beschleunigt. <strong>Beschleunigung</strong>sgradienten von einigen 100 GV/m,<br />
die im Plasma erreicht werden, ermöglichen kurze <strong>Beschleunigung</strong>sstrecken von wenigen<br />
Zentimetern und dadurch den Bau von kompakten Beschleunigern. Die Elektronenpakete<br />
haben bedingt durch den <strong>Beschleunigung</strong>sprozess eine Länge von wenigen µm, was<br />
zeitlich einigen Femtosekunden entspricht. 3 Nutzt man diese Elektronen, um zum Beispiel<br />
in Freie-Elektronen-<strong>Laser</strong>n Sekundärstrahlung zu erzeugen, erreicht auch diese eine<br />
vergleichbare Pulsdauer 4 und eignet sich daher sehr gut für Experimente, die eine Zeitauflösung<br />
in diesem Bereich erfor<strong>der</strong>n.<br />
Im Jahr 2004 gelang es, quasimonoenergetische Elektronenpakete mit Energien im Bereich<br />
von 100 MeV in einem <strong>Laser</strong>-<strong>Wakefield</strong>-Beschleuniger zu erzeugen. 5–7 Mit gezielter<br />
Verlängerung <strong>der</strong> <strong>Beschleunigung</strong>sstrecke wurden inzwischen Energien von 1 GeV erreicht.<br />
8 Die Energie- und Richtungsstabilität <strong>der</strong> <strong>Laser</strong>-<strong>Wakefield</strong>-Beschleuniger ist aber<br />
zur Zeit nicht vergleichbar mit <strong>der</strong> konventioneller Beschleuniger. Um <strong>der</strong>en Qualität in<br />
diesen Punkten zu verbessern und d<strong>am</strong>it den hohen Anfor<strong>der</strong>ungen in den Anwendungen<br />
zu entsprechen, ist ein detailliertes Verständnis des <strong>Beschleunigung</strong>sprozesses und die<br />
Optimierung <strong>der</strong> entsprechenden Par<strong>am</strong>eter im Experiment nötig.<br />
Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem <strong>Einfluss</strong> <strong>der</strong> Eigenschaften des <strong>Laser</strong>pulses auf<br />
den <strong>Beschleunigung</strong>sprozess. Über eine Verän<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> Justage des <strong>Laser</strong>systems wird<br />
1
1. Einleitung<br />
die Pulsfront des <strong>Laser</strong>pulses verkippt und die Pulsdauer variiert. D<strong>am</strong>it soll nicht nur<br />
das Elektronensignal optimiert werden, es soll auch festgestellt werden, wie empfindlich<br />
<strong>der</strong> <strong>Beschleunigung</strong>sprozess gegenüber nicht optimaler Justage des <strong>Laser</strong>s ist. Außerdem<br />
wird untersucht, wie mit einer Verän<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> Pulsenergie des <strong>Laser</strong>s die Teilchendichte<br />
im Gasjet variiert werden muss, um das Elektronensignal für die entsprechende Energie<br />
zu optimieren.<br />
Das zweite Kapitel gibt zunächst einen Überblick über die theoretischen Grundlagen.<br />
Die Grundbegriffe <strong>der</strong> <strong>Laser</strong>- und <strong>der</strong> Plasmaphysik werden erklärt, bevor näher auf das<br />
Verhalten des <strong>Laser</strong>pulses im Plasma und schließlich den <strong>Beschleunigung</strong>sprozess selbst<br />
eingegangen wird. Im dritten Kapitel werden die wichtigsten Teile des <strong>Laser</strong>systems und<br />
des experimentellen Aufbaus beschrieben. Außerdem wird die verwendete Diagnostik<br />
zur Charakterisierung <strong>der</strong> Energie <strong>der</strong> Elektronen und <strong>der</strong> räumlichen Eigenschaften des<br />
Elektronenpakets vorgestellt. Im vierten Kapitel, in dem die durchgeführten Messungen<br />
beschrieben sind, wird zunächst auf die <strong>Beschleunigung</strong> mit verkippter Pulsfront eingegangen,<br />
danach werden die Ergebnisse mit unterschiedlicher Pulsenergie des <strong>Laser</strong>s und<br />
variierter Elektronendichte präsentiert und schließlich wird <strong>der</strong> <strong>Einfluss</strong> einer verlängerten<br />
<strong>Laser</strong>pulsdauer auf den <strong>Beschleunigung</strong>sprozess untersucht.<br />
2
2. Grundlagen<br />
In den Messungen im Rahmen dieser Arbeit wird die Auswirkung verschiedene Par<strong>am</strong>eter<br />
des <strong>Laser</strong>pulses auf den <strong>Beschleunigung</strong>sprozess <strong>der</strong> <strong>Laser</strong>-<strong>Wakefield</strong>-<strong>Beschleunigung</strong><br />
untersucht. Im ersten Teil dieses Kapitels sind aus diesem Grund die grundlegenden<br />
Gleichungen zur Beschreibung von <strong>Laser</strong>pulsen und <strong>der</strong> Ausbreitung von <strong>Laser</strong>strahlen<br />
zus<strong>am</strong>mengefasst. Im zweiten Teil werden die Eigenschaften des Plasmas beschrieben,<br />
bevor im dritten Teil auf die Entwicklung von <strong>Laser</strong>pulsen im Plasma und den <strong>Beschleunigung</strong>sprozess<br />
selbst eingegangen wird. Es werden dabei unter an<strong>der</strong>em vereinfachte<br />
Modelle gezeigt, mit denen einige <strong>der</strong> Resultate aus den Experimenten erklärt werden<br />
können.<br />
2.1. <strong>Laser</strong>pulse und ihre Eigenschaften<br />
In diesem Abschnitt werden die Grundbegriffe zur Beschreibung <strong>der</strong> Ausbreitung von<br />
<strong>Laser</strong>pulsen im Vakuum und im Medium zus<strong>am</strong>mengefasst. Die ersten beiden Abschnitte<br />
orientieren sich an den Lehrbüchern von A. Siegman 9 und B. Teich, 10 <strong>der</strong> dritte Abschnitt<br />
an <strong>der</strong> Veröffentlichung von Pretzler et al. 11<br />
2.1.1. Beschreibung kurzer <strong>Laser</strong>pulse<br />
Kurze, modengekoppelte <strong>Laser</strong>pulse können in <strong>der</strong> Slowly Varying Envelope Approximation<br />
durch ihre Einhüllende A(t) und einen mit <strong>der</strong> Frequenz ω 0 oszillierenden Anteil<br />
beschrieben werden. Hat die Einhüllende die Form einer Gaußkurve, ist das elektrische<br />
Feld des Pulses gegeben durch<br />
]<br />
E(t) = A(t) · exp(iω 0 t) = A 0 exp<br />
[−2 ln 2 · t2<br />
τp<br />
2 · exp(iω 0 t) (2.1)<br />
und die Intensität mit I(t) ∝ |E(t)| 2 durch<br />
]<br />
I(t) = I 0 exp<br />
[−4 ln 2 · t2<br />
τp<br />
2 . (2.2)<br />
3
2. Grundlagen<br />
τ p ist dabei die Pulsdauer bezogen auf die Halbwertsbreite <strong>der</strong> Intensitätsverteilung.<br />
Äquivalent ist durch eine Fouriertransformation von E(t) eine Beschreibung des Feldes<br />
im Frequenzraum möglich:<br />
Ẽ(ω) = exp<br />
[−2 ln 2 (ω − ω 0) 2 ]<br />
(∆ω) 2<br />
(2.3)<br />
∆ω = 2π∆ν ist die spektrale Halbwertsbreite. Die beiden Halbwertsbreiten hängen wegen<br />
<strong>der</strong> Fouriertransformation über das Zeit-Bandbreite-Produkt ∆ν · τ p zus<strong>am</strong>men. Für<br />
einen Gauß-Puls gilt ∆ν · τ p = 2 ln 2/π = 0, 441.<br />
Im Medium mit Brechungsindex n breitet sich eine Frequenzkomponente mit <strong>der</strong> Geschwindigkeit<br />
c n = c/n aus, wobei c die Vakuumlichtgeschwindigkeit ist. Der Brechungsindex<br />
n(ω) ist frequenzabhängig, was dazu führt, dass sich die einzelnen Frequenzkomponenten<br />
unterschiedlich schnell ausbreiten. D<strong>am</strong>it än<strong>der</strong>t sich die Phase nicht mehr nur<br />
linear. In erster Näherung wird (2.1) um einen zusätzlichen Phasenterm exp(iat 2 /τ 2 p )<br />
erweitert:<br />
Die Phase ist mit φ = ω 0 t + at 2 /τ 2 p<br />
Frequenz<br />
] [<br />
)]<br />
E(t) = exp<br />
[−2 ln 2 · t2<br />
τp<br />
2 · exp i<br />
(ω 0 t + at2<br />
τp<br />
2<br />
(2.4)<br />
nun quadratisch in <strong>der</strong> Zeit und die instantane<br />
ω inst = dφ<br />
dt = ω 0 + 2 at<br />
τ 2 p<br />
(2.5)<br />
än<strong>der</strong>t sich linear mit <strong>der</strong> Zeit. Der Puls besitzt einen linearen Chirp, <strong>der</strong> durch den in<br />
(2.4) eingeführten Chirppar<strong>am</strong>eter a beschrieben wird. Für a > 0 laufen die kurzwelligen<br />
Komponenten vor den langwelligen, <strong>der</strong> Puls hat einen Up-Chirp, für a < 0 einen Down-<br />
Chirp. Durch den Chirp verän<strong>der</strong>t sich die Pulsdauer τ p gegenüber einem ungechirpten<br />
Puls mit<br />
τ ′ p = τ p · √1<br />
+ a 2 . (2.6)<br />
Das Zeit-Bandbreite-Produkt wird dann größer, ∆ν · τ p > 0, 441, die Pulse haben nicht<br />
mehr die aufgrund <strong>der</strong> spektralen Breite kürzest mögliche Pulsdauer. In den folgenden<br />
Abschnitten wird <strong>der</strong> <strong>Einfluss</strong> von Materialdispersion bzw. eines Gitterkompressors auf<br />
den Chirp des Pulses erläutert.<br />
4
2. Grundlagen<br />
Abbildung 2.1.: Skizze des CPA-Prinzips: Ein kurzer <strong>Laser</strong>puls wird im Strecker gestreckt. Die<br />
blauen (kurzwelligeren) spektralen Komponenten legen dabei einen längeren Weg<br />
zurück als die roten, ein positiver Chirp wird auf den Puls addiert. Nach <strong>der</strong><br />
Verstärkung in mehreren Verstärkerstufen wird <strong>der</strong> Puls im Kompressor, wo die<br />
roten Komponenten einen kürzeren Weg zurücklegen, wie<strong>der</strong> komprimiert. Ist ein<br />
Kompressorgitter um den Winkel ɛ 0 gekippt, hat <strong>der</strong> Puls nach dem Kompressor<br />
einen Winkelchirp C a,x .<br />
Materialdispersion Die Wellenzahl k, die im Medium durch k = n(ω) ω c<br />
gegeben ist,<br />
kann nach ω entwickelt werden:<br />
( )<br />
( ∂k<br />
∂ 2 )<br />
k (ω − ω 0 ) 2 ( ∂ 3 )<br />
k (ω − ω 0 ) 3<br />
k(ω) = k(ω 0 )+ (ω−ω 0 )+<br />
∂ω<br />
ω 0<br />
∂ω 2 +<br />
ω 0<br />
2 ∂ω 3 +. . . (2.7)<br />
ω 0<br />
6<br />
∂k<br />
∂ω ist die inverse Gruppengeschwindigkeit 1/v g des Pulses, ∂2 k<br />
= ∂ 1<br />
∂ω 2 ∂ω v g<br />
beschreibt die<br />
Än<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> inversen Gruppengeschwindigkeit mit <strong>der</strong> Frequenz ω, die Dispersion zweiter<br />
Ordnung (GVD). Ist dieser Term ungleich Null, bewegen sich unterschiedliche Frequenzkomponenten<br />
des Pulses mit verschiedenen Geschwindigkeiten, laufen auseinan<strong>der</strong><br />
und ein anfangs ungechirpter Puls verlängert sich. Er besitzt nach <strong>der</strong> Propagation durch<br />
das Medium einen linearen Chirp. Ist <strong>der</strong> Puls schon negativ gechirpt, kann ein dispersives<br />
Medium, das für einen positiven Chirp sorgt, den Puls wie<strong>der</strong> verkürzen.<br />
Bei Pulsen, <strong>der</strong>en Pulsdauer im Bereich von 50 fs o<strong>der</strong> darunter liegt, kann auch die<br />
Dispersion dritter Ordnung (TOD) nicht mehr vernachlässigt werden. Sie ist proportional<br />
zum Term ∂3 k<br />
<strong>der</strong> Entwicklung (2.7). Mit ihm verän<strong>der</strong>t sich dann wegen zusätzlicher<br />
∂ω 3<br />
Phasenterme nicht nur die Pulsdauer, son<strong>der</strong>n auch die Pulsform während <strong>der</strong> Propagation.<br />
5
2. Grundlagen<br />
Gitterstrecker/-kompressor<br />
Für die Beugungsordnung m eines Gitters mit Gitterkonstante<br />
G gilt für Licht <strong>der</strong> Wellenlänge λ<br />
sin α − sin β = mGλ (2.8)<br />
Dabei ist wie in Abbildung 2.1 zu sehen α <strong>der</strong> Winkel des einfallenden Strahls zur Gitternormalen<br />
und β <strong>der</strong> Winkel des gebeugten Strahls zur Normalen, <strong>der</strong> positiv ist, wenn<br />
er auf <strong>der</strong> an<strong>der</strong>en Seite <strong>der</strong> Gitternormalen liegt als <strong>der</strong> einfallende Strahl. Verschiedene<br />
spektrale Komponenten des Pulses werden durch das Gitter unter unterschiedlichen<br />
Winkeln gebeugt, es entsteht ein Winkelchirp.<br />
Im Gitterstrecker bzw. -kompressor wird dies genutzt. Die spektralen Komponenten<br />
legen Wege mit unterschiedlichen Laufzeiten zurück, was zu einer linearen Phasenverschiebung<br />
führt. Der Strecker o<strong>der</strong> Kompressor ist d<strong>am</strong>it ein dispersives Element, das<br />
auf einen Puls einen Chirp addiert. Für einen Gitterkompressor mit Gitterabstand l 0 ist<br />
<strong>der</strong> Chirppar<strong>am</strong>eter a gegeben durch<br />
a = − 1 λ 0 l 0 λ 2 0<br />
τp<br />
2 πc 2 G −2 − (λ 0 /2) 2 (2.9)<br />
λ 0 ist dabei die mittlere Wellenlänge des Pulses. Eine Verän<strong>der</strong>ung des Gitterabstands<br />
l 0 verän<strong>der</strong>t also den Chirp und d<strong>am</strong>it die Pulsdauer des einfallenden Pulses.<br />
Die Verän<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> Pulsdauer durch dispersive Elemente wird bei <strong>der</strong> Chirped Pulse<br />
Amplification (CPA) 2 genutzt, die in Abbildung 2.1 skizziert ist. Der <strong>Laser</strong>puls wird<br />
dabei z.B. in einem Gitterstrecker durch Aufaddieren eines Chirps auf eine wesentlich<br />
längere Pulsdauer gestreckt (vergleiche Gleichung 2.6), wodurch die Pulsspitzenleistung<br />
und die Intensität im Puls sinkt. Der gestreckte Puls wird verstärkt und erst, nachdem<br />
er keine Kristalle o<strong>der</strong> an<strong>der</strong>e optische Komponenten mehr passieren muss, wie<strong>der</strong> im<br />
Kompressor komprimiert, indem <strong>der</strong> im Strecker aufaddierte Chirp kompensiert wird.<br />
Der Puls hat dann fast wie<strong>der</strong> die ursprüngliche kurze Pulsdauer a , die Intensität auf den<br />
Komponenten und in den Verstärkerkristallen wird allerdings gering gehalten.<br />
2.1.2. Winkelchirp und Pulsfrontverkippung<br />
Sind die Kompressorgitter horizontal o<strong>der</strong> vertikal gegeneinan<strong>der</strong> verkippt bzw. die Linien<br />
<strong>der</strong> Gitter gegeneinan<strong>der</strong> verdreht, wird die Winkeldispersion des einen Gitters nicht<br />
a Durch die wellenlängenabhängige Verstärkung des <strong>Laser</strong>mediums kommt es während des Verstärkungsprozesses<br />
zu einer Verschmälerung des Spektrums, dem sogenannten „Gain Narrowing“. Aufgrund des<br />
schmaleren Spektrums kann <strong>der</strong> Puls nicht mehr vollständig auf die ursprüngliche Pulsdauer verkürzt<br />
werden.<br />
6
2. Grundlagen<br />
(a) Verkippung <strong>der</strong> Phasenfronten<br />
(b) Pulsfrontverkippung<br />
Abbildung 2.2.: (a) Ausbreitungsrichtung verschiedener spektraler Komponenten des <strong>Laser</strong>pulses,<br />
die gegeneinan<strong>der</strong> um den Winkel ϕ(λ) verkippt sind. Die senkrecht zur<br />
Ausbreitungsrichtung stehenden Phasenfronten (gestrichelte Linien) sind gegeneinan<strong>der</strong><br />
verzögert, die z-Position <strong>der</strong> konstruktiven Überlagerung zum <strong>Laser</strong>puls<br />
verschiebt sich. (b) zeigt die Wellenfront des Pulses, die sich wegen <strong>der</strong> Verkippung<br />
ϕ <strong>der</strong> Phasenfronten <strong>der</strong> einzelnen spektralen Komponenten nicht mehr an<br />
<strong>der</strong> gleichen z-Position überlagert. Durch eine geringe Verkippung ϕ <strong>der</strong> Phasenfronten<br />
in (a) ist die Pulsfront um den Winkel α t gekippt. (Abbildung von<br />
Pretzler et al. 11 )<br />
vollständig durch die des zweiten kompensiert und die spektralen Komponenten breiten<br />
sich unter einem kleinen Winkel ϕ zueinan<strong>der</strong> aus. Ausgehend von <strong>der</strong> mittleren<br />
Wellenlänge λ 0 entsteht ein von x abhängiger Wegunterschied ∆z zwischen den Wellenfronten<br />
<strong>der</strong> einzelnen Komponenten (vergleiche Abbildung 2.2a) und somit eine über das<br />
Strahlprofil unterschiedliche Phasenverschiebung ∆Φ(x) mit<br />
∆Φ(x) = 2π ∆z<br />
λ ≈ 2π · ϕ(λ)(x − x 0)<br />
. (2.10)<br />
λ<br />
Über den wellenlängenabhängigen Kippwinkel ϕ kann <strong>der</strong> Winkelchirp C a mit<br />
( ) ∣ dϕ(λ) ∣∣∣∣<br />
C a =<br />
(2.11)<br />
∣ dλ<br />
λ 0<br />
definiert werden. Dabei ist λ 0 die Wellenlänge <strong>der</strong> Komponente, die sich parallel zu z im<br />
Abstand x 0 ausbreitet. Die spektralen Komponenten sind abhängig von <strong>der</strong> x-Position<br />
zeitlich verzögert. Dadurch verschiebt sich abhängig von x die z-Position, an <strong>der</strong> sich die<br />
einzelnen Komponenten <strong>der</strong> modengekoppelten Pulse konstruktiv überlagern, was, wie<br />
7
2. Grundlagen<br />
in Abbildung 2.2b gezeigt, zu einer Verkippung <strong>der</strong> Pulsfront führt. Zwischen <strong>der</strong> ersten<br />
und letzten Komponente des Pulses entsteht eine Laufzeitverzögerung ∆τ g (x) von<br />
∆τ g (x) = λ 0<br />
c C a(x 0 − x). (2.12)<br />
Der Winkel α t <strong>der</strong> Pulsfrontverkippung ist größer als <strong>der</strong> ursprüngliche Verkippungswinkel<br />
<strong>der</strong> Phasenfronten zueinan<strong>der</strong> und kann aus <strong>der</strong> Verzögerung ∆τ g berechnet werden:<br />
tan α t ≈ α t = c∆τ g<br />
x 0 − x = λ 0C a . (2.13)<br />
Ist ein Gitter im Kompressor um den Winkel ɛ x in horizontaler Richtung verdreht, wie<br />
in Abbildung 2.1 im Kompressor gezeigt, führt dies nach Hin- und Rückweg durch den<br />
Kompressor zu einem Winkelchirp von<br />
∣ C a,x =<br />
dϕ x<br />
∣∣∣ ∣ dλ ∣ = tan β 0<br />
2Gɛ x cos α ∣ (2.14)<br />
β 0 ist hier <strong>der</strong> Beugungswinkel <strong>der</strong> Wellenlänge λ 0 , G ist die Gitterkonstante. Wird zum<br />
Beispiel das Kompressorgitter (G = 1480 /mm, α = 54 ◦ , λ 0 = 800nm) um ɛ x = 0, 5 mrad<br />
verdreht, resultiert daraus ein Winkelchirp C a,x von 1 µrad/nm und eine Pulsfrontverkippung<br />
von 0, 8 mrad. Bei einem Strahldurchmesser von 5 cm haben die beiden Pulsenden<br />
eine Laufzeitverzögerung von 135 fs.<br />
2.1.3. Ausbreitung eines Gauß-Strahls<br />
Zur Beschreibung <strong>der</strong> Ausbreitung von <strong>Laser</strong>strahlen werden oft Gauß-Strahlen verwendet.<br />
Sie liefern eine relativ einfache Beschreibung <strong>der</strong> Strahlausbreitung, die <strong>der</strong> in <strong>Laser</strong>resonatoren<br />
nahe kommt und dabei Beugungseffekte berücksichtigt. Der Strahl wird<br />
durch eine sich langs<strong>am</strong> verän<strong>der</strong>nde Einhüllende A(⃗r) und eine ebene Welle mit Wellenzahl<br />
k = 2π/λ und Wellenlänge λ beschrieben, die hier in z-Richtung propagiert.<br />
Alle für die Ausbreitung des Strahls relevanten Größen können aus <strong>der</strong> Wellenlänge λ,<br />
<strong>der</strong> Amplitude A 0 <strong>der</strong> Einhüllenden und <strong>der</strong> Rayleighlänge z R bestimmt werden. Dabei<br />
wird angenommen, dass die Wellenfronten an <strong>der</strong> Stelle z = 0 keine Krümmung besitzen.<br />
An dieser Stelle hat <strong>der</strong> Strahl auch den minimalen Radius w 0 mit<br />
w 0 =<br />
√<br />
λzR<br />
π . (2.15)<br />
2w 0 entspricht dabei <strong>der</strong> 1/e-Breite des transversalen Profils des elektrischen Feldes. Der<br />
8
2. Grundlagen<br />
Abbildung 2.3.: Ausbreitung eines Gauß-Strahls und dessen Fokussierung mit einer dünnen Linse<br />
<strong>der</strong> Brennweite f<br />
Strahlradius an <strong>der</strong> Stelle z ist gegeben durch<br />
w(z) = w 0<br />
√<br />
1 + z2<br />
zR<br />
2 . (2.16)<br />
Die Rayleighlänge z R ist somit die Länge, nach <strong>der</strong> <strong>der</strong> Radius des Strahls auf √ 2w 0 angewachsen,<br />
die Intensität also auf die Hälfe des Maximalwerts abgefallen ist. Der Verlauf<br />
eines Gauß-Strahls ist in Abbildung 2.3 gezeigt.<br />
Wird <strong>der</strong> Gauß-Strahl durch eine dünne Linse mit Brennweite f fokussiert, erreicht er<br />
im Fokus einen minimalen Durchmesser w f mit<br />
w f =<br />
w 0<br />
√<br />
1 + (zR /f) 2 . (2.17)<br />
Der fokussierte Strahl ist wie<strong>der</strong> ein Gauß-Strahl.<br />
2.2. Grundlagen <strong>der</strong> Plasmaphysik<br />
Ein Plasma besteht aus ionisierter (und neutraler) Materie, es ist quasineutral<br />
und zeigt kollektives Verhalten aufgrund <strong>der</strong> elektromagnetischen Wechselwirkung<br />
seiner geladenen Komponenten. 12<br />
Durch diese Eigenschaften unterscheidet sich ein Plasma deutlich von an<strong>der</strong>en Formen<br />
<strong>der</strong> Materie und kann neben Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen als vierter Materiezustand<br />
angesehen werden. Die Wechselwirkung zwischen geladenen Teilchen wird durch<br />
elektromagnetische Kräfte bestimmt, die im Gegensatz zur Wechselwirkung zwischen<br />
neutralen Teilchen deutlich langreichweitiger sind. Somit beeinflusst ein Teilchen nicht<br />
nur seine nächsten Nachbarn son<strong>der</strong>n eine Vielzahl von Teilchen, was zum kollektiven<br />
Verhalten des Plasmas führt. In den folgenden Abschnitten, die sich <strong>am</strong> Lehrbuch von J.<br />
Bittencourt 13 und dem Vorlesungsskript von Prof. M. Kaluza 14 orientieren, werden diese<br />
9
2. Grundlagen<br />
Eigenschaften näher erläutert.<br />
2.2.1. Eigenschaften eines Plasmas<br />
Da auch in an<strong>der</strong>en Materieformen ionisierte Atome und Moleküle vorkommen, ist die<br />
Definition des Plasmas über das charakteristische kollektive Verhalten wichtig. Es werden<br />
daher vier Kriterien herangezogen, durch die ein Plasma sich von an<strong>der</strong>en Materiezuständen<br />
unterscheidet.<br />
Temperatur des Plasmas<br />
Die freien Elektronen bewegen sich im Plasma mit unterschiedlichen<br />
Geschwindigkeiten. Analog zur kinetischen Gastheorie kann die Geschwindigkeitsverteilung<br />
als Maxwellverteilung angenommen werden. Aus <strong>der</strong> mittleren quadratischen<br />
Geschwindigkeit v th <strong>der</strong> Elektronen und ihrer kinetischen Energie E kin kann<br />
den Elektronen im Plasma eine Temperatur T e zugeordnet werden:<br />
k B ist die Boltzmannkonstante.<br />
E kin = m e<br />
2 v2 th = 3 2 k BT e (2.18)<br />
Debye-Shielding und Debye-Länge Ein Plasma kann aufgrund seiner freien Ladungsträger<br />
Potentiale nach außen abschirmen. Dabei ordnen sich die freien Ladungsträger um<br />
das Potential im Innern des Plasmas an. Wegen <strong>der</strong> Bewegung <strong>der</strong> Teilchen bildet sich zur<br />
Abschirmung aber nicht eine infinetisimale Ladungsträgerschicht, son<strong>der</strong>n ein über die<br />
Debye-Länge λ D langs<strong>am</strong> abfallendes Potential. Die Debye-Länge λ D ist gegeben durch<br />
λ D =<br />
√<br />
ɛ0 k B T e<br />
m e e 2 (2.19)<br />
mit <strong>der</strong> Dielektrizitätskonstanten ɛ 0 und <strong>der</strong> Elementarladung e. D<strong>am</strong>it das Potential<br />
abgeschirmt werden kann, muss das Plasma eine Ausdehnung L haben, die größer als die<br />
Debye-Länge ist, also L ≫ λ D , das erste Plasmakriterium. Die Dichte <strong>der</strong> Elektronen<br />
n e im Plasma muss außerdem genügend hoch sein, d<strong>am</strong>it ausreichend Ladungsträger zur<br />
Abschirmung vorhanden sind, d.h. n e λ 3 D<br />
≫ 1, das zweite Plasmakriterium.<br />
Zur makroskopischen Neutralität des Plasmas muss die Ladungsdichte <strong>der</strong> Elektronen<br />
und <strong>der</strong> Ionen übereinstimmen, ein drittes Kriterium für ein Plasma.<br />
Plasmafrequenz<br />
Wird das Gleichgewicht eines Plasmas kurzzeitig gestört, bilden sich<br />
elektrische Fel<strong>der</strong> innerhalb des Plasmas, die die geladenen Teilchen zur Oszillation anre-<br />
10
2. Grundlagen<br />
gen. Die Ionen können dabei wegen ihrer höheren Masse als fast konstanter Hintergrund<br />
angesehen werden. Die Elektronen werden aufgrund <strong>der</strong> Störung ausgelenkt, <strong>der</strong> Ionenhintergrund<br />
zieht die Elektronen wie<strong>der</strong> zu ihrer Ruheposition zurück und es bildet sich<br />
eine stationäre Oszillation. Die natürliche Frequenz dieser Oszillation ist die Plasmafrequenz<br />
ω p , die für Elektronen gegeben ist durch<br />
ω p =<br />
√<br />
n e e 2<br />
m e ɛ 0<br />
. (2.20)<br />
Sind zu viele neutrale Teilchen vorhanden, werden die Elektronen zu schnell von Stößen<br />
abgebremst, können nicht mehr oszillieren und <strong>der</strong> Materiezustand kann nicht mehr als<br />
Plasma angesehen werden. Als letztes Kriterium für ein Plasma muss also die Stoßfrequenz<br />
<strong>der</strong> Elektronen mit Ionen und an<strong>der</strong>en Teilchen viel kleiner sein als die Plasmafrequenz.<br />
2.2.2. Elektromagnetische Wellen im Plasma<br />
Die Dispersionsrelation einer elektromagnetischen Welle mit Frequenz ω im Plasma ist<br />
gegeben durch<br />
ω 2 = ω 2 p + k 2 c 2 . (2.21)<br />
k ist hier die Wellenzahl im Plasma. Mit (2.21) kann die Phasengeschwindigkeit <strong>der</strong><br />
elektromagnetischen Welle im Plasma bestimmt werden:<br />
v ph = ω k = c ω<br />
√ =<br />
ω 2 − ωp<br />
2<br />
c<br />
√ =: c<br />
1 − ω2 p η > c (2.22)<br />
ω 2<br />
Ein Vergleich von (2.22) mit <strong>der</strong> Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen<br />
im Medium liefert den Brechungsindex η des Plasmas:<br />
η =<br />
√<br />
1 − ω2 p<br />
ω 2 (2.23)<br />
Er ist kleiner als eins, somit ist die Phasengeschwindigkeit größer als die Vakuumlichtgeschwindigkeit<br />
c. Die Gruppengeschwindigkeit v g <strong>der</strong> elektromagnetischen Welle im Plasma<br />
ist mit<br />
√<br />
v g = dω<br />
dk = kc 2<br />
√ = c · kc<br />
ωp 2 + k 2 c 2 ω = c · 1 − ω2 p<br />
= cη < c (2.24)<br />
ω2 11
2. Grundlagen<br />
kleiner als die Vakuumlichtgeschwindigkeit c.<br />
Ist die Frequenz ω <strong>der</strong> elektromagnetischen Welle kleiner als die Plasmafrequenz ω p ,<br />
wird <strong>der</strong> Brechungsindex η imaginär, das bedeutet, die Lichtwelle kann sich nicht mehr im<br />
Plasma ausbreiten. Die Elektronendichte, ab <strong>der</strong> die Lichtwelle einer gegebenen Frequenz<br />
ω nicht mehr in das Plasma eindringen kann, wird als kritische Dichte n cr bezeichnet und<br />
entspricht <strong>der</strong> Dichte, bei <strong>der</strong> Frequenz ω <strong>der</strong> Lichtwelle und Plasmafrequenz ω p gleich<br />
sind:<br />
n cr := ω2 ɛ 0 m e<br />
e 2 (2.25)<br />
Plasmen mit einer Elektronendichte n e > n cr werden überdicht, Pl<strong>am</strong>sen mit n e < n cr<br />
unterdicht genannt. Für ein Ti:Sa-<strong>Laser</strong>system mit λ = 800 nm beträgt die kritische<br />
Dichte 1, 7 × 10 21 /cm 3 . Der Brechungsindex η kann auch über die kritische Dichte n cr<br />
definiert werden,<br />
η =<br />
√<br />
1 − ω2 p<br />
ω 2 = √<br />
1 − n e<br />
n cr<br />
(2.26)<br />
eine Definition, die für die weiteren Betrachtungen meist verwendet wird.<br />
2.3. <strong>Laser</strong>-<strong>Wakefield</strong>-<strong>Beschleunigung</strong><br />
Die Betrachtungen in diesem Abschnitt folgen vor allem dem Vorlesungsskript von Prof.<br />
M.C. Kaluza 14 und den Doktorarbeiten von S. Kneip 15 und S.P.D. Mangles. 16<br />
2.3.1. Bewegung eines Elektrons im <strong>Laser</strong>feld<br />
Eine ebene, unendlich ausgedehnte elektromagnetische Welle mit Wellenvektor ⃗ k = k⃗e z<br />
und Frequenz ω, die sich in z-Richtung ausbreitet, kann durch das Vektorpotential ⃗ A mit<br />
⃗A (⃗r, t) = ⃗ A (z, t) = −⃗e x A 0 cos (kz − ωt) (2.27)<br />
beschrieben werden. Die elektrische und magnetische Feldkomponente im Vakuum sind<br />
gegeben durch<br />
⃗E (z, t) = − ∂ A ⃗<br />
∂t = ⃗e xE 0 sin (kz − wt) (2.28)<br />
⃗B (z, t) = ∇ ⃗ × A ⃗ = ⃗e y B 0 sin (kz − wt) (2.29)<br />
12
2. Grundlagen<br />
mit E 0 = A 0 ω und B 0 = A 0 k = E 0 /c. Die Intensität I L entspricht dem zeitlichen Mittel<br />
des Betrags des Pointingvektors ⃗ S,<br />
mit <strong>der</strong> Permeabilität µ 0 .<br />
〈∣ ∣ ∣∣<br />
I L = S ⃗ ∣∣<br />
〉T = 1 〈∣ ∣〉<br />
∣∣ E ⃗ × B ⃗ ∣∣<br />
µ 0<br />
T<br />
(2.30)<br />
= E 0B 0<br />
2µ 0<br />
= ɛ 0c<br />
2 E2 0 (2.31)<br />
Klassische Bewegung des Elektrons<br />
Die Bewegung eines Elektrons innerhalb dieser Fel<strong>der</strong> wird durch die Lorentzkraft beschrieben.<br />
Die klassische Bewegungsgleichung ist somit<br />
d⃗p e<br />
dt = d [<br />
dt (m e⃗v e ) = −e ⃗E (z, t) + ⃗ve × B ⃗ (z, t)]<br />
. (2.32)<br />
Wegen B 0 = E 0 /c ist <strong>der</strong> Beitrag des zweiten Terms um den Faktor v e /c kleiner als<br />
<strong>der</strong> erste Term und kann im nichtrelativistischen Grenzfall, d.h. v e ≪ c, vernachlässigt<br />
werden. Das Elektron oszilliert dann in transversaler Richtung entlang des elektrischen<br />
Feldes. Der zeitliche Verlauf <strong>der</strong> Geschwindigkeit und des Ortes kann durch Integration<br />
von (2.32) unter Vernachlässigung des B-Feldes bestimmt werden. Hat das Elektron<br />
zum Zeitpunkt t = 0 <strong>am</strong> Ursprung die maximale Geschwindigkeit in x-Richtung, sind<br />
Geschwindigkeit und Ort gegeben durch<br />
v e,x (t) = eE 0<br />
ωm e<br />
cos (kz − ωt) (2.33)<br />
x e (t) = − eE 0<br />
ω 2 m e<br />
sin (kz − ωt) . (2.34)<br />
Die maximale Geschwindigkeit ist gegeben durch v max = eE 0 /ωm e . Falls die Geschwindigkeit<br />
v max im Bereich <strong>der</strong> Lichtgeschwindigkeit liegt, ist diese Näherung nicht mehr<br />
gültig, die Bewegung ist relativistisch. Das normierte Vektorpotential a 0 mit<br />
√ √√√<br />
a 0 = eE 0<br />
ωm e c = I L λ 2 L<br />
(2.35)<br />
1, 37 × 10 18 W cm 2 µm 2<br />
ist direkt mit <strong>der</strong> <strong>Laser</strong>intensität I L verbunden. Ist es ungefähr eins o<strong>der</strong> größer, muss die<br />
Elektronenbewegung relativistisch behandelt werden. Nur für a 0 ≪ 1 ist eine klassische<br />
Betrachtung ausreichend.<br />
13
2. Grundlagen<br />
Relativistische Bewegung des Elektrons<br />
Im relativistischen Fall muss in <strong>der</strong> Bewegungsgleichung (2.32) <strong>der</strong> relativistische Impuls<br />
mit dem Lorentzfaktor γ e des Elektrons<br />
γ e =<br />
⃗p e = γ e m e ⃗v e (2.36)<br />
1<br />
√<br />
1 − v 2 e /c 2 = √1 + ⃗p2 e<br />
(m e c) 2 (2.37)<br />
eingesetzt werden. Die Kraft durch das magnetische Feld ⃗ B kann nicht mehr vernachlässigt<br />
werden. Über eine Variablentransformation zur Variablen τ = t − z(t)/c, die die<br />
Phase im mit Lichtgeschwindigkeit bewegten Bezugssystem betrachtet, wird die verän<strong>der</strong>te<br />
Bewegungsgleichung gelöst. Für die drei räumlichen Koordinaten ergibt sich<br />
x (τ) = ca 0<br />
sin (ωτ) (2.38)<br />
ω<br />
y (τ) = 0 (2.39)<br />
(<br />
z (τ) = ca2 0<br />
τ + 1 )<br />
4 2ω sin (2ωτ) . (2.40)<br />
Das Elektron oszilliert nun zusätzlich zur transversalen Oszillation mit ω in <strong>Laser</strong>ausbreitungsrichtung<br />
mit <strong>der</strong> doppelten Frequenz des <strong>Laser</strong>feldes. Im zeitlichen Mittel bewegt<br />
es sich im Laborsystem mit <strong>der</strong> konstanten Driftgeschwindigkeit<br />
〈 z<br />
〉<br />
v drift,z =<br />
t<br />
T<br />
= c<br />
a 2 0<br />
a 2 0<br />
+ 4.<br />
(2.41)<br />
Im Bezugssystem, das sich mit dieser Driftgeschwindigkeit entlang <strong>der</strong> <strong>Laser</strong>achse bewegt,<br />
führt das Elektron eine Oszillation aus, die die Form einer Acht hat, wobei die Amplitude<br />
in x-Richtung proportional zu a 0 ist, die Amplitude in z-Richtung mit a 2 0 skaliert. Das<br />
bedeutet, je größer a 0 , desto breiter wird die beschriebene Acht, bzw. desto mehr bewegt<br />
sich das Elektron in <strong>Laser</strong>richtung.<br />
2.3.2. Die pon<strong>der</strong>omotive Kraft<br />
Werden statt unendlich ausgedehnter elektromagnetischer Wellen <strong>Laser</strong>pulse betrachtet,<br />
d.h. das normierte Vektorpotential hat im Fall eines zeitlichen Gaußpulses <strong>der</strong> 1/e-<br />
14
2. Grundlagen<br />
Pulsdauer τ 0 die Form<br />
[ ( ) ]<br />
τ<br />
2<br />
a(τ) = a 0 exp − sin (ωτ) , (2.42)<br />
τ 0<br />
erfährt das Elektron zunächst ein ansteigendes Feld bis zur Pulsspitze, dann ein abfallendes<br />
bis zum Ende des Pulses. Die Geschwindigkeit eines anfangs ruhenden Elektrons<br />
und somit seine Auslenkung än<strong>der</strong>n sich über den Puls. Da es aber noch immer nur eine<br />
Oszillation mit dem Feld durchführt, ist es <strong>am</strong> Ende des Pulses wie<strong>der</strong> in Ruhe, kann<br />
also keine Energie aus dem Feld gewinnen.<br />
Zusätzlich wird nun die begrenzte räumliche Ausdehnung des Pulses betrachtet. Durch<br />
Fokussieren des <strong>Laser</strong>pulses kann auf <strong>der</strong> Propagationsachse im Fokus eine hohe Intensität<br />
erzielt werden, die mit wachsendem Abstand zur Achse schnell abfällt. Das normierte<br />
Vektorpotential auf <strong>der</strong> Achse ist hoch und die Bewegung des Elektrons ist relativistisch.<br />
Ein Elektron, das sich zu Beginn auf <strong>der</strong> <strong>Laser</strong>achse befindet, wird im elektrischen Feld<br />
beschleunigt und würde beginnen zu oszillieren. Mit <strong>der</strong> Oszillation bewegt es sich aber<br />
von <strong>der</strong> Achse weg, wo wegen <strong>der</strong> kleineren Fel<strong>der</strong> die Rückstellkräfte nicht so stark sind<br />
wie auf <strong>der</strong> Achse, also ist die <strong>Beschleunigung</strong> zurück geringer und <strong>der</strong> Mittelpunkt <strong>der</strong><br />
Oszillation bewegt sich weg vom Fokus zu Bereichen niedrigerer Intensität. Somit verlässt<br />
das Elektron die Fokusregion mit einer endlichen Geschwindigkeit. Dieser Prozess wird<br />
pon<strong>der</strong>omotive Streuung o<strong>der</strong> Streuung aufgrund <strong>der</strong> pon<strong>der</strong>omotiven Kraft genannt.<br />
Betrachtet man nicht die einzelnen Oszillationen des Elektrons, son<strong>der</strong>n bestimmt die<br />
über mehrere Oszillationen gemittelte Kraft auf das Elektron, kann diesem Prozess die<br />
pon<strong>der</strong>omotive Kraft F ⃗ pond mit<br />
⃗F pond = − 1 e 2<br />
4 〈γ e 〉 T<br />
m e ω ⃗ ( ) 2 2 ∇ ⃗E<br />
1 e 2<br />
(⃗r) = − ∇IL ⃗<br />
2 〈γ e 〉 T<br />
m e ω 2 (⃗r) (2.43)<br />
cɛ 0<br />
zugeordnet werden. 〈γ e 〉 T<br />
ist <strong>der</strong> über die schnellen Oszillationen gemittelte relativistische<br />
Lorentzfaktor des Elektrons. Die pon<strong>der</strong>omotive Kraft ist <strong>der</strong> Richtung des Gradienten<br />
<strong>der</strong> Intensität entgegengesetzt gerichtet und beschleunigt das Elektron weg vom Fokus.<br />
2.3.3. Relativistische Optik<br />
<strong>Laser</strong>pulse verän<strong>der</strong>n bei ihrer Ausbreitung im Plasma aufgrund <strong>der</strong> pon<strong>der</strong>omotiven<br />
Kraft die Elektronendichte. Da <strong>der</strong> Brechungsindex und somit die Ausbreitungseigenschaften<br />
des <strong>Laser</strong>pulses selbst von <strong>der</strong> Elektronendichte abhängen, treten Effekte auf,<br />
die denen <strong>der</strong> nichtlinearen Optik ähnlich sind.<br />
15
2. Grundlagen<br />
Für den Brechungsindex gilt im Falle elektromagnetischer Wellen mit großer Amplitude<br />
und relativistischer Elektronen<br />
η =<br />
√<br />
1 − ω2 p<br />
〈γ〉 ω 2 . (2.44)<br />
Für relativistische unterdichte Plasmen mit ω 2 p/ 〈γ〉 ≪ ω 2 kann die Wurzel entwickelt<br />
werden:<br />
ω 2 p<br />
n e<br />
η ∼ = 1 − 1 2 〈γ〉 ω 2 = 1 − 1 (2.45)<br />
2 〈γ〉 n cr<br />
Über die Plasmafrequenz hängt <strong>der</strong> Brechungsindex von <strong>der</strong> Elektronendichte n e ab.<br />
Durch die pon<strong>der</strong>omotive Kraft verdrängt <strong>der</strong> <strong>Laser</strong>puls die Elektronen auf <strong>der</strong> Propagationsachse.<br />
Außerdem ist <strong>der</strong> relativistische Faktor 〈γ〉 in Achsennähe größer als in den<br />
Randbereichen, was einer relativistischen Massenzunahme <strong>der</strong> Elektronen entspricht. Dadurch<br />
bildet sich ein radialsymmetrisches Elektronendichteprofil aus und <strong>der</strong> Brechungsindex<br />
nimmt mit dem Radius r ab. Entlang <strong>der</strong> Achse beeinflusst die Elektronendichte<br />
in <strong>der</strong> Plasmawelle den Brechungsindex und d<strong>am</strong>it die Ausbreitung des Pulses. Die radiale<br />
Verän<strong>der</strong>ung des Brechungsindex führt zur Selbstfokussierung des Pulses, während<br />
die longitudinale Variation Pulskomprimierung und Photonenbeschleunigung verursacht.<br />
Diese Effekte werden in den nächsten Abschnitten beschrieben:<br />
Pulskomprimierung<br />
Eine longitudinale Verän<strong>der</strong>ung des Brechungsindex über die Ausdehnung<br />
des Pulses entlang <strong>der</strong> <strong>Laser</strong>achse z führt dazu, dass verschiedene Teile des<br />
Pulses sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegen.<br />
Es wird ein ansteigen<strong>der</strong> Brechungsindex im mit Lichtgeschwindigkeit mitbewegten<br />
Bezugssystem mit ξ = z − ct betrachtet. Da sich das System aus Plasmawelle und <strong>Laser</strong>puls<br />
auch mit dieser Geschwindigkeit bewegt, bleibt darin die Brechungsindexmodulation<br />
annähernd räumlich konstant. Werden die Gruppengeschwindigkeiten zweier unterschiedlicher<br />
Komponenten des Pulses v g1 und v g2 betrachtet (siehe Abbildung 2.4a), ist <strong>der</strong><br />
Wegunterschied nach einem Zeitraum ∆t in linearer Näherung<br />
∆L = (v g1 − v g2 ) ∆t = L ∂v g<br />
∂z ∆t = L∂v g<br />
∆t. (2.46)<br />
∂ξ<br />
Somit ergibt sich für die zeitliche Entwicklung des räumlichen Abstandes <strong>der</strong> Komponenten<br />
mit (2.24)<br />
1 ∂L<br />
L ∂t = ∂v g<br />
∂ξ = c∂η ∂ξ , (2.47)<br />
16
2. Grundlagen<br />
(a) Pulskomprimierung im Plasma<br />
(b) relativistische und pon<strong>der</strong>omotive<br />
Selbstfokussierung<br />
Abbildung 2.4.: (a) zeigt den schematischen Verlauf <strong>der</strong> Elektronendichte n e normiert auf die<br />
ungestörte Elektronendichte n 0 (schwarz) und des Brechungsindex η (rot) entlang<br />
<strong>der</strong> Ausbreitungsrichtung des <strong>Laser</strong>s und die daraus resultierende Phasenund<br />
Gruppengeschwindigkeit v ph bzw. v g im Plasma für verschiedene Komponenten<br />
des Pulses. Der dargestellte Verlauf führt zur Kompression des Pulses.<br />
(b) zeigt das transversale Intensitätsprofil des Pulses (blau), den daraus resultierenden<br />
Brechungsindex η (rot) mit entsprechen<strong>der</strong> Phasengeschwindigkeit v ph .<br />
Die Phasenfront (grün) wird während <strong>der</strong> Propagation um den Winkel θ gekippt,<br />
<strong>der</strong> Strahl wird fokussiert.<br />
das bedeutet, bei einer Zunahme des Brechungsindex, was z.B. in einer Plasmawelle <strong>der</strong><br />
Abnahme <strong>der</strong> Elektronendichte aufgrund <strong>der</strong> pon<strong>der</strong>omotiven Kraft entspricht, wird <strong>der</strong><br />
Abstand zwischen den beiden Komponenten kleiner. Da die Komponenten im vor<strong>der</strong>en<br />
Teil des Pulses somit langs<strong>am</strong>er laufen als die im hinteren Teil, holen die hinteren Komponenten<br />
auf und die Pulsdauer verkürzt sich.<br />
Photonenbeschleunigung Aufgrund des Zeit-Bandbreite-Produkts, das die Pulsdauer<br />
mit <strong>der</strong> spektralen Breite des <strong>Laser</strong>pulses verbindet, muss mit einer Verkürzung <strong>der</strong><br />
Pulsdauer das Spektrum des Pulses breiter werden.<br />
Es werden zwei räumlich unterschiedliche Phasenfronten <strong>der</strong> selben spektralen Komponente<br />
im gleichen Bezugssystem wie im Abschnitt zuvor betrachtet (siehe Abbildung<br />
17
2. Grundlagen<br />
2.4a). Sie bewegen sich im Zeitraum ∆t um die Strecke<br />
z 1 = z 10 + ∆tv ph,1 , (2.48)<br />
wobei z 10 die Position <strong>der</strong> ersten Phasenfront zu Beginn und v ph,1 <strong>der</strong>en Phasengeschwindigkeit<br />
ist, entsprechendes gilt auch für die zweite Phasenfront. Mit z 10 − z 20 = λ 0 ergibt<br />
sich<br />
und somit mit ω = 2πc/λ und (2.22)<br />
z 1 − z 2 = λ = λ 0 − λ 0 ∆t ∂v ph<br />
∂z<br />
1 ∂λ<br />
λ ∂t = 1 ∂ω<br />
ω ∂t = ∂v ph<br />
∂ξ<br />
(2.49)<br />
= c<br />
η 2 ∂η<br />
∂ξ . (2.50)<br />
Beim betrachteten Anstieg des Brechungsindex werden also die spektralen Komponenten<br />
rotverschoben. Erst im hinteren Teil des Pulses, in dessen Bereich <strong>der</strong> Brechungsindex<br />
wie<strong>der</strong> abfällt, erfährt <strong>der</strong> Puls eine Blauverschiebung. Diese Zunahme <strong>der</strong> Photonenenergie<br />
im hinteren Teil des Pulses wird in <strong>der</strong> Literatur auch Photonenbeschleunigung<br />
(„photon acceleration“) genannt. 17<br />
Selbstfokussierung<br />
Der in Abbildung 2.4b gezeigte radiale Abfall des Brechungsindex<br />
fokussiert den <strong>Laser</strong>puls im Plasma. Werden zwei Komponenten betrachtet, von denen<br />
die erste sich mit v ph1 auf <strong>der</strong> Strahlachse, die zweite mit v ph2 im Abstand r = w<br />
zur Strahlachse bewegt, ergibt sich nach <strong>der</strong> Zeit ∆t durch den Laufzeitunterschied <strong>der</strong><br />
Winkel θ gegen die Ebene senkrecht zur Strahlachse mit<br />
( )<br />
vph2 − v ph1<br />
θ =<br />
∆t = ∂v ph<br />
w<br />
∂r ∆t = − c ∂v ph<br />
η 2 ∆t, (2.51)<br />
∂r<br />
das bedeutet, die Phasenfronten werden gekrümmt und für v ph2 > v ph1 o<strong>der</strong> ∂η<br />
∂r < 0<br />
wird <strong>der</strong> Puls fokussiert. Dabei kann diese Selbstfokussierung die natürliche Beugung<br />
kompensieren und <strong>der</strong> <strong>Laser</strong>strahl kann über längere Strecken als die Rayleighlänge im<br />
Plasma geführt werden, womit die <strong>Beschleunigung</strong>sstrecke <strong>der</strong> Elektronen zunimmt.<br />
2.3.4. Der <strong>Beschleunigung</strong>sprozess<br />
Durch die pon<strong>der</strong>omotive Kraft verdrängen hochintensive <strong>Laser</strong>pulse im Plasma die Elektronen<br />
von <strong>der</strong> Strahlachse, es entsteht eine Dichtemodulation δn e <strong>der</strong> Elektronendichte.<br />
Der Ionenhintergrund bleibt dabei annähernd unverän<strong>der</strong>t. Durch die räumliche Tren-<br />
18
2. Grundlagen<br />
nung von Elektronen und Ionen entstehen Fel<strong>der</strong> mit bis zu 100 GV/m. 18 Wird die Kraft<br />
auf die verdrängten Elektronen durch die Fel<strong>der</strong> größer als die pon<strong>der</strong>omotive Kraft des<br />
<strong>Laser</strong>pulses o<strong>der</strong> hat dieser sich schon weiterbewegt, schwingen die Elektronen angezogen<br />
von <strong>der</strong> Kraft des elektrischen Feldes wie<strong>der</strong> zurück und oszillieren mit <strong>der</strong> Plasmafrequenz<br />
ω p .<br />
Der <strong>Laser</strong>puls bewegt sich mit <strong>der</strong> Geschwindigkeit v g im Plasma. Da er die Oszillation<br />
anregt, bewegt sich auch die Dichtemodulation δn e mit <strong>der</strong>selben Geschwindigkeit.<br />
Aus <strong>der</strong> stehenden Oszillation <strong>der</strong> Elektronen wird eine sich mit dem <strong>Laser</strong>puls<br />
mitbewegende Plasmawelle. Die Phasengeschwindigkeit <strong>der</strong> Plasmawelle entspricht <strong>der</strong><br />
Gruppengeschwindigkeit v g des <strong>Laser</strong>s. D<strong>am</strong>it kann <strong>der</strong> Plasmawelle die Wellenlänge<br />
zugeordnet werden.<br />
λ p = 2πv g<br />
ω p<br />
(2.52)<br />
Die starken Fel<strong>der</strong> in <strong>der</strong> Plasmawelle können zur <strong>Beschleunigung</strong> von Elektronen genutzt<br />
werden. Neben <strong>der</strong> Möglichkeit, Elektronen aus einer externen Quelle zu injizieren,<br />
was jedoch einen sehr präzisen räumlichen und zeitlichen Überlapp von Elektronenpuls<br />
und Plasmawelle erfor<strong>der</strong>t, können Elektronen aus <strong>der</strong> Plasmawelle durch Wellenbrechen<br />
in die Fel<strong>der</strong> gebracht und beschleunigt werden. In den folgenden Abschnitten wird dieser<br />
<strong>Beschleunigung</strong>sprozess näher betrachtet.<br />
Eindimensionale Betrachtung des <strong>Beschleunigung</strong>sprozesses<br />
In <strong>der</strong> eindimensionalen Betrachtung können die Elektronen nur in longitudinaler Richtung<br />
schwingen. Für kleine Modulationen <strong>der</strong> Elektronendichte durch den <strong>Laser</strong>puls, d.h.<br />
δn e /n 0 ≪ 1, hat das Elektronendichteprofil n e (z) einen sinusförmigen Verlauf (vergleiche<br />
Abbildung 2.5). Die Elektronen erreichen während <strong>der</strong> Schwingung relativistische<br />
Geschwindigkeiten. Wird ihre Geschwindigkeit in z-Richtung so hoch, dass sie die Welle<br />
überholen, kommt es zum Wellenbrechen. Die Auslenkung <strong>der</strong> Elektronen wird dabei<br />
größer als die Plasmawellenlänge. Sie gelangen in die nächste Schwingungsperiode <strong>der</strong><br />
Welle, lösen sich aus <strong>der</strong> Oszillation und werden im elektrischen Feld beschleunigt, indem<br />
sie sozusagen das elektrische Feld herunter „surfen“ und dabei Energie aus <strong>der</strong> Welle<br />
gewinnen.<br />
Das Profil <strong>der</strong> Welle verän<strong>der</strong>t sich während des Prozesses. Die zunächst sinusförmige<br />
Welle entwickelt zunehmend starke Spitzen. Beim Wellenbrechen überholen einige<br />
Elektronen die Welle und lösen sich wie bei einer brechenden Wasserwelle aus diesen<br />
19
2. Grundlagen<br />
Abbildung 2.5.: Skizziert ist <strong>der</strong> <strong>Beschleunigung</strong>sprozess <strong>der</strong> Elektronen in <strong>der</strong> Plasmawelle. Der<br />
<strong>Laser</strong>puls verdrängt die Elektronen und regt die Plasmawelle als Dichtemodulation<br />
mit <strong>der</strong> Wellenlänge λ p an. Elektronen mit ausreichend Anfangsenergie und<br />
passen<strong>der</strong> Phase können in die Welle injiziert werden und werden dann im elektrischen<br />
Feld beschleunigt, bis sie das Dephasing Limit erreichen. (Abbildung<br />
aus Diplomarbeit M. Nicolai 19 )<br />
Spitzen. Das elektrische Feld in <strong>der</strong> Plasmawelle, das zum Wellenbrechen nötig ist, wird<br />
im eindimensionalen relativistischen Fall beschrieben durch 20<br />
E wb = m ecω p<br />
e<br />
√ ( ) ω<br />
2 − 1 . (2.53)<br />
ω p<br />
Die Anregung <strong>der</strong> Plasmawelle ist beson<strong>der</strong>s effizient, wenn <strong>der</strong> <strong>Laser</strong>puls kurz genug ist,<br />
um in eine halbe Plasmawellenlänge zu passen, d.h.<br />
cτ p < λ p /2. (2.54)<br />
Die Elektronen können in diesem Fall ungehin<strong>der</strong>t zurückschwingen, nachdem sie vom<br />
<strong>Laser</strong>puls ausgelenkt wurden.<br />
Die Energie, die die Elektronen gewinnen können, hängt von <strong>der</strong> Länge <strong>der</strong> <strong>Beschleunigung</strong>sstrecke<br />
ab, die von einigen Faktoren begrenzt wird:<br />
Dephasing Length<br />
Relativistische Elektronen bewegen sich fast mit Lichtgeschwindigkeit,<br />
die Plasmawelle bewegt sich jedoch mit <strong>der</strong> Gruppengeschwindigkeit des <strong>Laser</strong>pulses,<br />
die geringer ist als die Elektronengeschwindigkeit. Die Elektronen überholen die Plasmawelle<br />
und gelangen in Bereiche, in denen das elektrische Feld in entgegengesetzte Richtung<br />
gerichtet ist, sie also wie<strong>der</strong> abbremst. Die maximale Länge, über die die Elektronen bis<br />
zu diesem Limit beschleunigt werden können, nennt sich Dephasing Length L D .<br />
20
2. Grundlagen<br />
Für den linearen, eindimensionalen Fall kann sie über den Geschwindigkeitsunterschied<br />
<strong>der</strong> Plasmawelle und <strong>der</strong> Elektronen abgeschätzt werden, wobei in guter Näherung angenommen<br />
wird, dass die Elektronen sich während <strong>der</strong> <strong>Beschleunigung</strong> mit Lichtgeschwindigkeit<br />
bewegen. Die Elektronen werden nach <strong>der</strong> Zeit t D <strong>der</strong> Plasmawelle eine halbe<br />
Wellenlänge voraus sein, bevor sie im entgegengerichteten Feld abgebremst werden:<br />
t D = λ p/2<br />
= λ p 2ω 2<br />
c − v g 2 cωp<br />
2<br />
(2.55)<br />
Die lineare Dephasing Length ist d<strong>am</strong>it<br />
L lin<br />
ω 2<br />
D = c · t D = λ p . (2.56)<br />
ω 2 p<br />
Bei einer Elektronendichte n e von 1, 2 × 10 19 /cm 3 und einem <strong>Laser</strong> mit Wellenlänge<br />
λ = 800 nm entspricht das einer Länge von 1, 4 mm.<br />
Depletion Length Während des <strong>Beschleunigung</strong>sprozesses verliert <strong>der</strong> <strong>Laser</strong>puls Energie,<br />
die er an die Plasmawelle abgibt. Reicht seine Energie nicht mehr aus, um die Welle<br />
weiter zu treiben, bricht <strong>der</strong> <strong>Beschleunigung</strong>sprozess ab. Die Länge, die <strong>der</strong> <strong>Laser</strong> bis zu<br />
diesem Punkt im Plasma propagiert, nennt sich Depletion Length.<br />
Maximal möglicher Energiegewinn<br />
Die maximale Energie, die ein Elektron aus <strong>der</strong><br />
Plasmawelle gewinnen kann, ist gegeben durch die <strong>Beschleunigung</strong> im mittleren elektrischen<br />
Feld Ēz über die Dephasing Length. Im eindimensionalen linearen Fall ist das<br />
mittlere elektrische Feld über eine Schwingungsperiode gegeben durch<br />
Ē z = ω pm e c a 2 0<br />
e 4 . (2.57)<br />
Wird <strong>der</strong> <strong>Laser</strong>puls über die ges<strong>am</strong>te Dephasing Length geführt, ist <strong>der</strong> maximale Energiegewinn<br />
1<br />
∫ LD<br />
Wmax lin = −e E z (z)dz = π<br />
0<br />
2 m ec 2 a 2 n cr<br />
0 . (2.58)<br />
n e<br />
Dreidimensionale Betrachtung des <strong>Beschleunigung</strong>sprozesses<br />
In <strong>der</strong> dreidimensionalen Betrachtung des <strong>Beschleunigung</strong>sprozesses verän<strong>der</strong>t sich das<br />
Verhalten des <strong>Laser</strong>pulses im Plasma, die Entwicklung <strong>der</strong> Plasmawelle und schließlich<br />
das Brechen <strong>der</strong> Welle. Die Elektronen werden auch transversal ausgelenkt und <strong>der</strong> <strong>Laser</strong>-<br />
21
2. Grundlagen<br />
Abbildung 2.6.: Die Abbildung zeigt die Simulation des <strong>Beschleunigung</strong>sprozesses im Regime des<br />
hochgradig nichtlinearen Wellenbrechens. Der <strong>Laser</strong>puls läuft von links durch das<br />
Bild und verdrängt die Elektronen komplett. Es bildet sich ein Bereich, <strong>der</strong> frei<br />
von Elektronen ist, die Bubble. Die Elektronen, die nicht transversal weggestreut<br />
werden, s<strong>am</strong>meln sich <strong>am</strong> hinteren Ende <strong>der</strong> Bubble, wo einige injiziert werden.<br />
An <strong>der</strong> Spitze des injizierten Elektronenpakets sind einige Elektronen mit hoher<br />
Energie zu erkennen. Sie bilden den quasimonoenergetischen Anteil im Spektrum.<br />
(a) zeigt die Bubble für ct/λ = 500, (b) für ct/λ = 700. Ein Vergleich <strong>der</strong><br />
Bil<strong>der</strong> zeigt die Zunahme <strong>der</strong> Elektronenenergie und die Verlängerung <strong>der</strong> Bubble<br />
im Verlauf des <strong>Beschleunigung</strong>sprozesses. Der quasimonoenergetische Peak<br />
bleibt dabei bestehen. (Abbildung von Pukhov et al. 3 )<br />
puls schafft durch die pon<strong>der</strong>omotive Kraft einen Bereich, in dem sich nur noch wenige bis<br />
keine Elektronen mehr befinden. Der Verlauf des <strong>Beschleunigung</strong>sprozesses ist stark von<br />
Par<strong>am</strong>etern wie <strong>der</strong> Elektronendichte im Plasma und <strong>der</strong> Pulsdauer des <strong>Laser</strong>s abhängig.<br />
Pukhov et al. 3 unterscheiden drei Regime <strong>der</strong> <strong>Laser</strong>-<strong>Wakefield</strong>-<strong>Beschleunigung</strong>.<br />
Für kurze <strong>Laser</strong>pulse mit hoher Pulsenergie wird ein Regime des hochgradig nichtlinearen<br />
Wellenbrechens in 3D-PIC-Simulationen beobachtet. Der <strong>Laser</strong>puls kann alle<br />
Elektronen verdrängen und hinterlässt eine Bubble, die frei von Elektronen ist (vergleiche<br />
Abbildung 2.6. Ein Großteil <strong>der</strong> verdrängten Elektronen wan<strong>der</strong>t <strong>am</strong> Rand <strong>der</strong><br />
Bubble zu <strong>der</strong>en hinterem Ende, wo einige von ihnen in die Bubble gelangen und darin<br />
beschleunigt werden. Der <strong>Laser</strong>puls entwickelt dabei durch die in Abschnitt 2.3.3 beschriebenen<br />
Effekte eine steile Front mit einer hohen Spitzenleistung. In diesem Regime<br />
werden Spektren mit monoenergetischen Peaks beobachtet.<br />
Ist die Energie <strong>der</strong> <strong>Laser</strong>pulse etwas geringer, können nicht alle Elektronen durch den<br />
Puls verdrängt werden. Es entsteht in <strong>der</strong> Plasmawelle eine Region mit geringer Elektronendichte,<br />
an <strong>der</strong>en Rand sich die verdrängten Elektronen ans<strong>am</strong>meln. Auch in diesem<br />
Regime werden Elektronen in den Bereich geringerer Dichte injiziert und im Feld<br />
zwischen den Elektronen <strong>am</strong> Rand und dem Ionenhintergrund beschleunigt, allerdings<br />
werden breite Spektren beobachtet, die keinen monoenergetischen Anteil zeigen.<br />
22
2. Grundlagen<br />
Den Betrachtungen liegt zunächst zugrunde, dass <strong>der</strong> <strong>Laser</strong>puls in eine halbe Wellenlänge<br />
<strong>der</strong> Plasmawelle passt und somit die ges<strong>am</strong>te Energie des Pulses für die Anregung<br />
<strong>der</strong> dreidimensionalen Welle zur Verfügung steht. Ist <strong>der</strong> <strong>Laser</strong>puls länger, wird er in<br />
mehrere Teilpulse aufgespaltet. 21 Dieser Vorgang wird „Self-Modulated“ <strong>Laser</strong>-<strong>Wakefield</strong>-<br />
<strong>Beschleunigung</strong> (SM-LWFA) genannt. Die Teilpulse werden in einer Halbwelle weiter<br />
durch relativistische Effekte verkürzt und erreichen dadurch Intensitäten, die ausreichen,<br />
um die Plasmawelle zu brechen. In diesem Fall ist aber eine stark erhöhte Pulsenergie<br />
nötig, um das hochgradig nichtlineare Regime des Wellenbrechens mit quasimonoenergetischen<br />
Spektren zu erreichen.<br />
Für Pulse, die sich über einige Perioden <strong>der</strong> Plasmawelle erstrecken, beschreiben Pukhov<br />
et al. die <strong>Beschleunigung</strong> als ein Regime, in dem die SM-LWFA und die direkte<br />
<strong>Laser</strong>beschleunigung gleichzeitig vorliegen. In diesem Bereich wird zwar noch eine Plasmawelle<br />
erzeugt, aber das Spektrum <strong>der</strong> Elektronen zeigt einen exponentiellen Abfall.<br />
Der <strong>Beschleunigung</strong>sprozess ist d<strong>am</strong>it also neben <strong>der</strong> Pulsenergie vor allem vom Verhältnis<br />
<strong>der</strong> Länge des <strong>Laser</strong>pulses c · τ p zur Plasmawellenlänge λ p abhängig. Da die Plasmawellenlänge<br />
von <strong>der</strong> Elektronendichte abhängt, verän<strong>der</strong>t sich bei einer Variation <strong>der</strong><br />
Dichte das <strong>Beschleunigung</strong>sregime.<br />
23
3. Aufbau<br />
Alle Experimente im Rahmen dieser Arbeit wurden <strong>am</strong> <strong>JETI</strong>-<strong>Laser</strong>system durchgeführt.<br />
In diesem Abschnitt werden die für die Experimente relevanten Teile des <strong>Laser</strong>systems<br />
sowie <strong>der</strong> Aufbau in <strong>der</strong> Experimentierk<strong>am</strong>mer und die Diagnostik, die zur Detektion <strong>der</strong><br />
Elektronen nötig ist, vorgestellt.<br />
3.1. Das <strong>JETI</strong>-<strong>Laser</strong>system<br />
Das Jenaer Titan:Saphire-<strong>Laser</strong>system (<strong>JETI</strong>) ist ein auf dem Prinzip <strong>der</strong> Chirped Pulse<br />
Amplification (CPA) 2 basierendes Hochleistungslasersystem. Die <strong>Laser</strong>pulse werden in<br />
einem modengekoppelten Oszillator erzeugt, vorverstärkt und in einem Gitterstrecker<br />
auf 300 ps gestreckt, bevor sie in einem regenerativen Verstärker und drei Multipass-<br />
Verstärkern auf eine Energie von 1, 3 J gebracht werden. Danach werden die Pulse im<br />
Kompressor, <strong>der</strong> in Abschnitt 3.1.1 näher beschrieben ist, auf ca. 28 fs komprimiert. Mit<br />
einem SPIDER <strong>der</strong> Firma APE wird neben <strong>der</strong> Pulsdauer auch die Phase des Pulses<br />
bestimmt. Der SPIDER ist mit einem akkusto-optischen Modulator, dem DAZZLER,<br />
gekoppelt, <strong>der</strong> die Phase des Pulses glättet.<br />
Das <strong>JETI</strong>-<strong>Laser</strong>system arbeitet bei einer Zentralwellenlänge von 800 nm mit einer Repetitionsrate<br />
von 10 Hz. Der Strahldurchmesser betrug während <strong>der</strong> Experimente ca.<br />
6 cm. In <strong>der</strong> Experimentierk<strong>am</strong>mer haben die Pulse eine Energie von 0, 65 J, womit abhängig<br />
von <strong>der</strong> Fokussierung eine Intensität im Bereich von bis zu 10 19 W/cm 2 erreicht<br />
werden kann.<br />
3.1.1. Aufbau des Kompressors<br />
Der Kompressor besteht aus zwei Blaze-Gittern mit Gitterkonstante G = 1480 /mm. Wie<br />
in Abbildung 3.1 gezeigt fällt <strong>der</strong> <strong>Laser</strong>puls unter dem Einfallswinkel α auf das Gitter<br />
G1 und wird von diesem spektral aufgespalten und auf das zweite Gitter G2 gelenkt. Das<br />
Gitter G2 kompensiert den <strong>am</strong> ersten Gitter entstandenen Winkelchirp und kollimiert<br />
den Strahl. Der spektral aufgespaltene Puls fällt auf den Dachspiegel SD, <strong>der</strong> einen<br />
Höhenversatz von 8 cm erzeugt, und läuft den Weg über die Gitter wie<strong>der</strong> zurück bis<br />
24
3. Aufbau<br />
Abbildung 3.1.: Schematischer Aufbau des Kompressors: Der Puls wird <strong>am</strong> Gitter G1 mit Einfallswinkel<br />
α unter dem Beugungswinkel β(λ) wellenlängenabhängig gebeugt,<br />
Gitter G2 kompensiert den Winkelchirp des ersten Gitters wie<strong>der</strong>. Durch den<br />
Dachspiegel SD wird ein Höhenversatz erzeugt. Nachdem <strong>der</strong> Puls über die beiden<br />
Gitter zurückgelaufen ist, wird er vom Spiegel S zum Experiment gelenkt.<br />
zum Spiegel S, <strong>der</strong> den Strahl zum Experiment umlenkt. Die ganze Anordnung befindet<br />
sich im Vakuum.<br />
Über den Gitterabstand kann die Dispersion zweiter und höherer Ordnung verän<strong>der</strong>t<br />
werden. Eine Variation des Einfallswinkels erzeugt unter an<strong>der</strong>em Dispersion dritter Ordnung.<br />
Der Abstand <strong>der</strong> beiden Gitter und die Drehung <strong>der</strong> Gitter um in <strong>der</strong> horizontalen Ebene<br />
kann über Schrittmotoren eingestellt werden. Zusätzlich ist eine vertikale Verkippung<br />
des zweiten Gitters möglich.<br />
3.1.2. Messung <strong>der</strong> Pulsfrontverkippung<br />
Sind die Gitter nicht optimal zueinan<strong>der</strong> ausgerichtet, entsteht nach 2.1.2 eine Pulsfrontverkippung.<br />
Zur Messung <strong>der</strong> Verkippung wird <strong>der</strong> von Pretzler et al. vorgestellte<br />
interferometrische Feldkorrelator verwendet, 11 <strong>der</strong> schematisch in Abbildung 3.2 dargestellt<br />
ist.<br />
Der <strong>Laser</strong>puls wird in einem Mach-Zehn<strong>der</strong>-artigen Interferometer in zwei Replikas<br />
aufgespalten. Eines davon wird dabei durch den Dachspiegel SD in einer Dimension<br />
invertiert. Durch Verschieben dieses Spiegels werden beide Replika zeitlich gegeneinan<strong>der</strong><br />
verzögert. Sie werden <strong>am</strong> Strahlteiler wie<strong>der</strong> überlagert und das Interferenzbild wird mit<br />
einer K<strong>am</strong>era aufgenommen.<br />
Aufgrund <strong>der</strong> kurzen Pulsdauer bilden sich nur in dem Bereich Interferenzstreifen, in<br />
dem es einen zeitlichen Überlapp gibt. Ist die Pulsfront wie in Abbildung 3.2 gezeigt verkippt,<br />
wird dies nur ein Teil des Strahlquerschnitts sein und die Interferenzstreifen wan-<br />
25
3. Aufbau<br />
Abbildung 3.2.: Schematischer Aufbau des interferometrischen Feldkorrelators: Der <strong>Laser</strong>puls<br />
mit verkippter Pulsfront (rot) wird <strong>am</strong> Strahlteiler ST in zwei Replikas aufgespalten.<br />
Eines <strong>der</strong> beiden wird <strong>am</strong> Dachspiegel SD räumlich in einer Richtung<br />
invertiert (blau) und kann durch Verschieben von SD zeitlich verzögert werden.<br />
Nach dem zweiten Strahlteiler ST überlagern sich die Replika wie<strong>der</strong>. Auf <strong>der</strong><br />
CCD-K<strong>am</strong>era sind in dem Bereich, in dem es einen zeitlichen Überlapp <strong>der</strong> Replika<br />
gibt, Interferenzstreifen zu beobachten.<br />
<strong>der</strong>n in diesem Fall mit einer Verän<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> Verzögerung über den Strahlquerschnitt.<br />
Wird die Intensitätsverteilung entlang <strong>der</strong> Interferenzstreifen betrachtet, verschiebt sich<br />
dadurch das Intensitätsmaximum von einer Seite des Strahlquerschnitts zur an<strong>der</strong>en.<br />
Ohne Pulsfrontverkippung verschwinden die Interferenzstreifen bei einer Variation <strong>der</strong><br />
Verzögerung gleichmäßig und die Intensität <strong>der</strong> Interferenzstreifen nimmt gleichmäßig<br />
ab.<br />
Die Pulsfrontverkippung kann mit diesem Aufbau nur entlang einer <strong>der</strong> Achsen transversal<br />
zur Strahlrichtung gemessen werden. Zur Messung <strong>der</strong> Pulsfrontverkippung in <strong>der</strong><br />
an<strong>der</strong>en Richtung wird <strong>der</strong> Messplatz um 90 ◦ gedreht.<br />
3.2. Der experimentelle Aufbau mit Diagnostik<br />
3.2.1. Aufbau in <strong>der</strong> Experimentierk<strong>am</strong>mer<br />
Der <strong>Laser</strong>strahl wird in <strong>der</strong> Experimentierk<strong>am</strong>mer von drei ebenen Spiegeln unter einem<br />
Winkel von 8 ◦ auf eine Parabel <strong>der</strong> Brennweite 1 m gelenkt. Der Fokus <strong>der</strong> Parabel liegt<br />
ca. 1 mm über <strong>der</strong> Überschall-Gasdüse. In Abbildung 3.3 ist eine Skizze des Aufbaus<br />
gezeigt.<br />
Das Elektronenpaket bewegt sich entlang <strong>der</strong> Strahlachse des <strong>Laser</strong>s. Auf dem ersten<br />
Szintillations-Schirm a , dem Zielschirm, kann das Strahlprofil und die Richtung des<br />
a Zur Detektion <strong>der</strong> Elektronen werden Szintillationsschirme genutzt. Sie bestehen aus einer pulverisierten<br />
Schicht phosphorisieren<strong>der</strong> Seltener Erden, die durch die Elektronen, aber auch durch Röntgenund<br />
G<strong>am</strong>mastrahlung zu Fluoreszenz angeregt werden. Die Schirme im Elektronenspektrometer sind<br />
beson<strong>der</strong>s sensitiv (KODAK Biomax MS), im Zielschirm wird ein weniger sensitiver Szintillationsschirm<br />
genutzt.<br />
26
3. Aufbau<br />
Abbildung 3.3.: Skizze des Aufbaus des Experiments: Der <strong>Laser</strong>strahl wird von <strong>der</strong> Parabel in<br />
dem Gasjet fokussiert. Die dort beschleunigten Elektronen können entwe<strong>der</strong> auf<br />
dem Lanex im Zielschirm, wo Richtung und Strahlprofil bestimmt werden, o<strong>der</strong><br />
im Spektrometer, wo die Elektronen durch ein Magnetfeld je nach Energie unterschiedlich<br />
stark abgelenkt auf zwei Szintillationsschirme treffen, detektiert<br />
werden.<br />
Strahls beobachtet werden, im Elektronenspektrometer kann die Energieverteilung <strong>der</strong><br />
Elektronen auf zwei weiteren Szintillationsschirmen gemessen werden.<br />
Die Gasdüse Die Überschall-Gasdüse besteht aus einem Zylin<strong>der</strong> mit einer konischen<br />
Öffnung, die <strong>am</strong> unteren Ende einen Innendurchmesser von 1 mm, <strong>am</strong> oberen Ende einen<br />
Durchmesser von 3 mm hat. Mit dieser Geometrie ist die Teilchengeschwindigkeit im Gasjet<br />
größer als die Schallgeschwindigkeit und <strong>der</strong> Gasjet hat ca. 1 mm über <strong>der</strong> Düse ein<br />
konstantes Teilchendichteprofil mit steil abfallenden Flanken. Im Experiment wird dadurch<br />
eine relativ konstante Elektronendichte über den Düsenquerschnitt und somit die<br />
ges<strong>am</strong>te <strong>Beschleunigung</strong>slänge erreicht, was für die Stabilität des <strong>Beschleunigung</strong>sprozesses<br />
wichtig ist.<br />
Die Düse ist auf ein Ventil mit einem Innendurchmesser von 0, 7 mm geschraubt, dessen<br />
Öffnungszeitpunkt relativ zur Ankunft des <strong>Laser</strong>pulses und dessen Öffnungszeit extern<br />
gesteuert werden können. Die Gasdichte des Heliums, das in den Messungen verwendet<br />
wird, wird über den Hintergrunddruck, <strong>der</strong> über einen Druckmin<strong>der</strong>er eingestellt werden<br />
kann, variiert.<br />
Optimieren des Fokus Um den Fokus zu betrachten, ist neben <strong>der</strong> Gasdüse ein Mikroskopobjektiv<br />
angebracht, mit dem <strong>der</strong> Fokus über einen Spiegel auf eine CCD-K<strong>am</strong>era<br />
(Basler A102f 12 bit) außerhalb <strong>der</strong> Experimentierk<strong>am</strong>mer abgebildet wird.<br />
Für die Experimente ist wichtig, dass die Fokusposition festgehalten wird und gleichzeitig<br />
die Richtung, aus <strong>der</strong> <strong>der</strong> <strong>Laser</strong>puls in den Fokus gelangt, mit <strong>der</strong> Achse vom<br />
27
3. Aufbau<br />
Mittelpunkt <strong>der</strong> Parabel zum Ausgang des Elektronenspektrometers übereinstimmt. Zur<br />
Justage werden zwei Helium-Neon-<strong>Laser</strong> verwendet. Der erste wird in einem <strong>der</strong> letzten<br />
Töpfe des Vakuumsystems eingekoppelt und auf den <strong>Laser</strong>strahl gelegt. Der zweite wird<br />
auf die Mitte des Spektrometerausgangs und die Parabelmitte justiert. Dieser muss auch<br />
mittig durch das Mikroskopobjektiv verlaufen.<br />
Der Fokus wird durch Verän<strong>der</strong>n des Kippwinkels <strong>der</strong> Parabel optimiert. Da sich seine<br />
Position dabei verschiebt, muss er mit dem letzten Spiegel vor <strong>der</strong> Parabel wie<strong>der</strong> auf<br />
das Objektiv gelegt werden. Dadurch verän<strong>der</strong>t sich die Richtung des Strahls im Fokus,<br />
<strong>der</strong> Strahl verläuft nicht mehr auf <strong>der</strong> Achse durchs Spektrometer. Die Strahlrichtung<br />
wird mit dem zweiten und dritten Spiegel in <strong>der</strong> K<strong>am</strong>mer korrigiert, indem <strong>der</strong> mit<br />
dem <strong>Laser</strong>strahl überlagerte Justierlaser und <strong>der</strong> Justierlaser, <strong>der</strong> die Achse definiert,<br />
wie<strong>der</strong> übereinan<strong>der</strong> gelegt werden. Da sich dabei <strong>der</strong> Winkel des Strahls auf die Parabel<br />
än<strong>der</strong>t, muss neu fokussiert werden. Dieser Vorgang wird iterativ fortgesetzt, bis <strong>der</strong><br />
Fokus optimiert ist und gleichzeitig <strong>der</strong> <strong>Laser</strong>strahl auf <strong>der</strong> Achse verläuft.<br />
3.2.2. Bestimmung <strong>der</strong> Intensität im Fokus<br />
Die Intensität im Fokus kann bei Hochleistungslasern nicht durch eine direkte Messung<br />
bestimmt werden, da Messgeräte we<strong>der</strong> die räumliche Genauigkeit haben und noch <strong>der</strong><br />
hohen Intensität standhalten. Die Intensität wird deshalb aus <strong>der</strong> Pulsenergie im Fokus,<br />
<strong>der</strong> Fokusfläche und <strong>der</strong> Pulsdauer bestimmt.<br />
Die Pulsdauer τ p wird mit dem SPIDER zwischen Kompressor und Experimentierk<strong>am</strong>mer<br />
gemessen. Zur Bestimmung <strong>der</strong> Fokusfläche A wird die Abbildung, die zur Optimierung<br />
des Fokus genutzt wird, kalibriert. Mit den aufgenommenen Bil<strong>der</strong>n kann neben<br />
<strong>der</strong> Fläche des Fokus auch <strong>der</strong> Anteil <strong>der</strong> Energie, <strong>der</strong> in <strong>der</strong> Halbwertsfläche des Fokus<br />
liegt, bestimmt werden. Dazu wird das Verhältnis <strong>der</strong> Energie in <strong>der</strong> Halbwertsfläche<br />
als Summe <strong>der</strong> Pixelwerte zur Ges<strong>am</strong>tsumme aller Pixel des Bildes betrachtet. Dieses<br />
Verhältnis wird als q-Faktor bezeichnet.<br />
Zur Bestimmung <strong>der</strong> Pulsenergie im Fokus wird die Pulsenergie E p vor <strong>der</strong> Parabel<br />
gemessen und mit dem q-Faktor multipliziert. Die Intensität im Fokus ist d<strong>am</strong>it<br />
I t = E p · q<br />
A · τ p<br />
. (3.1)<br />
D<strong>am</strong>it sind alle für das Experiment notwendigen Größen zur Charakterisierung des <strong>Laser</strong>pulses<br />
bestimmt.<br />
28
3. Aufbau<br />
3.2.3. Diagnostik für Elektronen<br />
Der Zielschirm Das räumliche Profil und die Richtung des Elektronenstrahls können<br />
auf dem Zielschirm betrachtet werden, einem Szintillationsschirm, <strong>der</strong> ca. 32, 5 cm hinter<br />
<strong>der</strong> Gasdüse in den Elektronenstrahl gefahren wird. Der Schirm steht unter einem Winkel<br />
von 45 ◦ zur Strahlachse und wird von einer CCD-K<strong>am</strong>era (Basler A102f 12 bit), die<br />
senkrecht zur Strahlachse auf den Schirm gerichtet ist, beobachtet. In dieser Geometrie<br />
ist das aufgenommene Bild nicht verzerrt. b Mit Hilfe eines Punktrasters mit Punktabstand<br />
0, 5 cm können die Abstände auf dem Schirm bestimmt werden. Um das <strong>Laser</strong>licht<br />
abzuschirmen, ist dieser mit Alufolie lichtdicht abgeklebt. Da <strong>der</strong> Szintillationsschirm<br />
auch für Röntgen- und G<strong>am</strong>mastrahlung empfindlich ist, haben die Bil<strong>der</strong> dennoch einen<br />
Untergrund, <strong>der</strong> bei <strong>der</strong> Auswertung <strong>der</strong> Bil<strong>der</strong> berücksichtigt werden muss.<br />
Elektronenspektrometer Im Elektronenspektrometer werden die Elektronen von einem<br />
20 cm langen und 10 cm breiten Magnetjoch auf zwei Szintillationsschirme gelenkt.<br />
Der erste Schirm, <strong>der</strong> Niedrigenergieschirm, zeigt dabei die Elektronen von 20 MeV bis<br />
56 MeV, auf dem Hochenergieschirm sind die Elektronen von 59 MeV bis ca. 250 MeV<br />
aufgelöst. Die Spektren auf den Schirmen werden mit zwei CCD-K<strong>am</strong>eras (Basler A102f<br />
12 bit) aufgenommen. Zwischen den beiden Schirmen entsteht aufgrund <strong>der</strong> Befestigung<br />
eine kleine Lücke. Da die gemessene Intensität pro Ladung auf den beiden Schirme nicht<br />
übereinstimmt, muss das Spektrum des einen Schirms mit einer Konstanten multipliziert<br />
werden. Die Konstante wird über den Vergleich von breiten Spektren, die sich über beide<br />
Schirme erstrecken, aus verschiedenen Messungen bestimmt.<br />
Durch die runde Eintrittsöffnung von 2 cm ist <strong>der</strong> Akzeptanzwinkel des Spektrometers<br />
auf 20 mrad beschränkt. Die maximal erreichte Energie in den Messungen liegt im Bereich<br />
von 100 MeV. Für diesen Wert ergibt sich aufgrund <strong>der</strong> maximal möglichen Divergenz des<br />
Elektronenstrahls eine Messungenauigkeit von 20 MeV. Für kleinere Energien wird <strong>der</strong><br />
Wert geringer, die Ungenauigkeit bleibt aber dennoch groß. Mit einem Spalt von 2 mm vor<br />
dem Magneten kann die Auflösung deutlich gesteigert werden. Da das Elektronensignal<br />
im Spektrometer schon bei kleinen Abweichungen von <strong>der</strong> optimalen Justage trotz des<br />
relativ großen Akzeptanzwinkels von 20 mrad stark abgenommen hat, wurde <strong>der</strong> Spalt<br />
in den Experimenten, die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurden, nicht genutzt.<br />
b Steht <strong>der</strong> Schirm im Winkel δ zum Strahl, wird das Bild zunächst um den Faktor 1/ sin δ gestreckt.<br />
Das Bild <strong>der</strong> K<strong>am</strong>era, die senkrecht zum Strahl steht, ist um den Faktor cos(90 ◦ − δ) gestaucht. Für<br />
δ = 45 ◦ heben sich die beiden Faktoren auf und das aufgenommene Bild ist nicht verzerrt.<br />
29
4. Experimente<br />
Der experimentelle Teil dieser Diplomarbeit ist in drei Teile geglie<strong>der</strong>t. Im ersten wird<br />
die Auswirkung einer Pulsfrontverkippung auf den <strong>Laser</strong>puls im Fokus und den <strong>Beschleunigung</strong>sprozess<br />
untersucht, im zweiten Teil wird die Pulsenergie des <strong>Laser</strong>s und<br />
die Elektronendichte des Plasmas variiert, im dritten Teil wird für die <strong>Laser</strong>-<strong>Wakefield</strong>-<br />
<strong>Beschleunigung</strong> ein gechirpter <strong>Laser</strong>puls verwendet.<br />
4.1. Verkippung <strong>der</strong> Pulsfront<br />
Durch Drehen des zweiten, größeren Kompressorgitters wird ein Winkelchirp im Puls<br />
erzeugt, <strong>der</strong> zu einer Pulsfrontverkippung führt. Durch die Verkippung än<strong>der</strong>n sich die<br />
Par<strong>am</strong>eter des Pulses im Fokus und in dessen naher Umgebung, was die Richtung, die<br />
Richtungsstabilität und das Spektrum <strong>der</strong> Elektronen beeinflusst.<br />
4.1.1. Horizontale Pulsfrontverkippung<br />
Das Kompressorgitter wird mit <strong>der</strong> kleinst möglichen Schrittweite um die vertikale Achse<br />
gedreht, was zu einem Winkelchirp in <strong>der</strong> horizontalen Ebene, die im weiteren Verlauf<br />
des Experiments als x bezeichnet wird, führt. Der Versatz des Strahls, <strong>der</strong> durch die<br />
Drehung entsteht, wird einige Meter nach dem Kompressor gemessen. Aus dem Kippwinkel<br />
des Strahls kann dann <strong>der</strong> Drehwinkel des Gitters berechnet werden. Mit dem<br />
letzten Spiegel S im Kompressor (vergleiche Abbildung 3.1) wird die Richtung des Strahls<br />
korrigiert. Dabei entsteht ein Parallelversatz von wenigen Millimetern, <strong>der</strong> aber keinen<br />
messbaren <strong>Einfluss</strong> auf die Richtung <strong>der</strong> Elektronen hat und deshalb in <strong>der</strong> Auswertung<br />
vernachlässigt wird. Die Drehachse des Gitters liegt nicht auf dessen Oberfläche, weshalb<br />
beim Drehen des Gitters sich effektiv <strong>der</strong> Abstand <strong>der</strong> beiden Gitter än<strong>der</strong>t und die<br />
Pulsdauer über eine Verän<strong>der</strong>ung des Gitterabstandes wie<strong>der</strong> auf den minimalen Wert<br />
gebracht werden muss. Während des Drehens und <strong>der</strong> anschließenden Richtungskorrektur<br />
wird die Fokusposition in <strong>der</strong> Experimentierk<strong>am</strong>mer durch das Fokussierobjektiv<br />
festgehalten.<br />
30
4. Experimente<br />
Drehwinkel des Gitters und Berechnung <strong>der</strong> Pulsfrontverkippung Der Strahl wurde<br />
5 m nach dem letzten Kompressorgitter aus dem Vakuumsystem ausgekoppelt und<br />
<strong>der</strong> horizontale Versatz ∆s, <strong>der</strong> bei <strong>der</strong> Drehung entsteht, markiert und gemessen. Der<br />
Kippwinkel δ des <strong>Laser</strong>strahls wird über<br />
tan δ ≈ δ = ∆s<br />
5 m<br />
(4.1)<br />
bestimmt. Für den Drehwinkel des Gitters gilt dabei (Herleitung siehe Anhang A)<br />
ɛ x = −<br />
δ<br />
( ). (4.2)<br />
2 1 + cos β<br />
cos α<br />
Mit dem Einfallswinkel α = 54 ◦ , dem Beugungswinkel β = 22 ◦ und <strong>der</strong> Gitterkonstanten<br />
G = 1480 /mm kann nach (2.14) <strong>der</strong> Winkelchirp C a,x , nach Gleichung (2.13) die Pulsfrontverkippung<br />
α t und nach Gleichung (2.12) die Laufzeitverzögerung ∆τ g berechnet<br />
werden.<br />
δ ɛ x C a,x α t ∆τ g<br />
3, 6 mrad −0, 7 mrad −1, 5 µrad/nm −1, 2 mrad 237 fs<br />
1, 6 mrad −0, 3 mrad −0, 7 µrad/nm −0, 5 mrad 105 fs<br />
0, 6 mrad −0, 1 mrad −0, 3 µrad/nm −0, 2 mrad 39 fs<br />
0, 0 mrad 0, 0 mrad 0, 0 µrad/nm 0, 0 mrad 0 fs<br />
−0, 7 mrad 0, 1 mrad 0, 3 µrad/nm 0, 2 mrad 46 fs<br />
−2, 8 mrad 0, 6 mrad 1, 2 µrad/nm 0, 9 mrad 184 fs<br />
−4, 8 mrad 1, 0 mrad 2, 0 µrad/nm 1, 6 mrad 315 fs<br />
Tabelle 4.1.: Aus dem Kippwinkel δ des <strong>Laser</strong>strahls berechnete Werte für den Drehwinkel ɛ x<br />
des Gitters, den Winkelchirp C a,x (nach (2.14)), die Pulsfrontverkippung α t (nach<br />
(2.13)) und die Laufzeitverzögerung ∆τ g (nach (2.12)). Zur Unterscheidung <strong>der</strong><br />
Richtung wird C a,x in den ersten drei Messungen als negativ definiert.<br />
Die Richtung <strong>der</strong> Drehung ist dabei, den Kompressor von oben betrachtet, im mathematischen<br />
Sinn, d.h. eine Drehung gegen den Uhrzeigersinn entspricht einem positiven<br />
Drehwinkel. Zur Berechnung <strong>der</strong> Laufzeitverzögerung ∆τ g wird <strong>der</strong> Strahldurchmesser<br />
von 6 cm eingesetzt. Zur Unterscheidung <strong>der</strong> Drehrichtungen wird C a,x mit gleichem Vorzeichen<br />
wie <strong>der</strong> Drehwinkel ɛ x des Gitters in den ersten drei Messungen negativ gewählt.<br />
Messung mit dem interferometrischen Feldkorrelator<br />
Die Pulsfrontverkippung kann<br />
qualitativ mit dem in 3.1.2 beschriebenen interferometrischen Feldkorrelator gemessen<br />
31
4. Experimente<br />
(a) (b) (c)<br />
(d) (e) (f)<br />
Abbildung 4.1.: Aufnahmen mit dem interferometrischen Feldkorrelator mit unterschiedlichen<br />
Verzögerungen: (a) - (c) Aufnahmen eines Pulses ohne Pulsfrontverkippung; (d)<br />
- (f) Aufnahmen eines Pulses mit Winkelchirp |C a,x | = 1, 2 µrad/nm und Pulsfrontverkippung<br />
α t = −0, 9 mrad. Die Interferenzstreifen sollten in diesem Fall<br />
von einer Seite des Strahlquerschnitts zur an<strong>der</strong>en verlaufen, was allerdings we<strong>der</strong><br />
in den Bil<strong>der</strong>n noch in <strong>der</strong>en Auswertung zu erkennen ist.<br />
werden. In Abbildung 4.1 sind die Aufnahmen bei verschiedenen Verzögerungen für die<br />
optimale Gitterjustage ohne Pulsfrontverkippung und mit einer Pulsfrontverkippung von<br />
α t = −0, 9 mrad gezeigt. Hat <strong>der</strong> Puls keine verkippte Pulsfront, sollten die Interferenzstreifen<br />
bei Verän<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> Verzögerung <strong>der</strong> beiden Arme zueinan<strong>der</strong> gleichmäßig auf<br />
<strong>der</strong> ganzen Breite <strong>der</strong> Mode auftauchen und wie<strong>der</strong> verschwinden, sobald die Pulse sich<br />
nicht mehr überlagern. Im Fall einer verkippten Pulsfront sollte das Interferenzmuster<br />
von einer Seite zur an<strong>der</strong>en über den Strahl wan<strong>der</strong>n.<br />
In den Aufnahmen ist keine deutliche Verkippung <strong>der</strong> Pulsfront zu erkennen, obwohl<br />
die Kompressorgitter gegeneinan<strong>der</strong> verdreht wurden. Auch bei Aufnahmen mit größerer<br />
Verzögerung als in Abbildung 4.1 gezeigt ist keine eindeutige Aussage über die Pulsfrontverkippung<br />
möglich. Das Intensitätsmaximum des Querschnitts entlang eines Interferenzstreifens<br />
verschiebt sich trotz verkippter Pulsfront nicht über den Strahlquerschnitt<br />
(vergleiche Abbildung 4.1(d)-(f)).<br />
Am Messplatz selbst scheint eine Verkippung besser erkennbar zu sein, jedoch ist neben<br />
32
4. Experimente<br />
α t = 0, 5 mrad<br />
1, 5 mm<br />
1, 0 mm<br />
0, 5 mm<br />
0 mm<br />
−0, 5 mm<br />
−1, 0 mm<br />
−1, 5 mm<br />
−2, 5 mm<br />
−2, 0 mm<br />
1, 5 mm<br />
2, 0 mm<br />
1, 0 mm<br />
0, 5 mm<br />
0 mm<br />
−1, 0 mm<br />
−0, 5 mm<br />
α t = 0 mrad<br />
−1, 5 mm<br />
−2, 0 mm<br />
Abbildung 4.2.: Aufnahmen des fokussierten Strahls in unterschiedlichem Abstand zur Fokusposition.<br />
Im ersten Fall ist die Pulsfront um α t = 0, 5 mrad verkippt, <strong>der</strong> Fokus<br />
wurde aber mit <strong>der</strong> verkippten Pulsfront optimiert. Im zweiten Fall ist die Pulsfront<br />
nicht verkippt, allerdings scheint <strong>der</strong> Fokus einen Astigmatismus zu haben.<br />
<strong>der</strong> eher subjektiven Beurteilung <strong>der</strong> K<strong>am</strong>erabil<strong>der</strong> keine quantitative Aussage über die<br />
Verkippung <strong>der</strong> Pulse möglich. Die Messgenauigkeit des Messplatzes reicht nicht aus,<br />
um die Verkippung, die in Tabelle 4.1 aufgeführt ist, zu messen. Sie wurde zusätzlich<br />
durch eine schlechte Strahlmode, die die Interferenzstreifen verzerrt, und eine nicht mehr<br />
optimale Justage des Messplatzes verschlechtert.<br />
Für die weiteren Messungen wird die Position, bei <strong>der</strong> mit dem interferometrischen<br />
Feldkorrelator keine Verkippung gemessen wurde und bei <strong>der</strong> <strong>der</strong> <strong>Beschleunigung</strong>sprozess<br />
<strong>am</strong> effizientesten war, als Ausgangspunkt gewählt und angenommen, dass bei dieser<br />
Gitterstellung die Pulsfront nicht verkippt ist.<br />
Verän<strong>der</strong>ung des Fokus durch eine verkippte Pulsfront Durch die Pulsfrontverkippung<br />
und den d<strong>am</strong>it verbundenen Winkelchirp wird die Intensität im Fokus wegen einer<br />
verlängerten Pulsdauer durch zwei Aspekte verringert.<br />
Zum einen fallen die spektralen Komponenten des Pulses unter unterschiedlichen Winkeln<br />
auf die Parabel, was zu einer spektralen Aufspaltung im Fokus führt. Lokal ist somit<br />
im Fokus die spektrale Breite geringer als die des unfokussierten Pulses und somit wegen<br />
des Zeit-Bandbreite-Produkts die Pulsdauer nicht mehr minimal. 11<br />
33
4. Experimente<br />
Zum an<strong>der</strong>en hat die Projektion des Pulses auf die Propagationsachse durch die verkippte<br />
Pulsfront die Dauer <strong>der</strong> Laufzeitverzögerung. Solange <strong>der</strong> Strahl nicht fokussiert<br />
ist, ist <strong>der</strong> Puls lokal kurz. Im Fokus allerdings kommen die gegeneinan<strong>der</strong> verzögerten<br />
Komponenten zu unterschiedlichen Zeiten an und die effektive Pulsdauer entspricht ungefähr<br />
<strong>der</strong> Laufzeitverzögerung, 22 die bei einem Strahldurchmesser von 6 cm schon bei<br />
kleiner Pulsfrontverkippung einem Vielfachen <strong>der</strong> ursprünglichen Pulsdauer des <strong>JETI</strong> von<br />
ca. 30 fs entspricht (vergleiche letzte Spalte in Tabelle 4.1). Dadurch sinkt die Intensität<br />
im Fokus stark. Gleichzeitig wird <strong>der</strong> Puls schon bei kleinen Kippwinkeln <strong>der</strong> Pulsfront<br />
so lang, dass er bei <strong>der</strong> Anregung <strong>der</strong> Plasmawelle in mehrere Unterpulse aufgespalten<br />
wird und die Energie in einer Halbwelle trotz <strong>der</strong> Pulskomprimierung im Plasma nicht<br />
mehr zum Brechen <strong>der</strong> Welle ausreicht.<br />
Die Pulsdauer wird im Experiment mit dem SPIDER gemessen und über den Gitterabstand<br />
im Kompressor wie<strong>der</strong> minimiert. Für die SPIDER-Messung wird allerdings nur<br />
ein kleiner Ausschnitt des Strahls verwendet. Der Puls scheint trotz <strong>der</strong> langen Pulsdauer<br />
im Fokus kurz zu sein a . Die SPIDER-Messung sagt in diesem Fall also nichts über die<br />
Pulsdauer im Fokus aus.<br />
Neben dem zeitlichen Profil des Fokus än<strong>der</strong>t sich auch das räumliche Profil. Durch<br />
die schon erwähnte räumliche Aufspaltung <strong>der</strong> spektralen Komponenten wird <strong>der</strong> Durchmesser<br />
des Fokus in Richtung des Winkelchirps größer. Die Pulsfrontverkippung wirkt<br />
sich ähnlich aus wie ein Astigmatismus, bei dem die unterschiedlichen Komponenten<br />
des Strahls nicht im gleichen Punkt fokussiert werden. Mit dem Winkelchirp C a ist <strong>der</strong><br />
Versatz <strong>der</strong> einzelnen Komponenten in <strong>der</strong> Fokusebene gegeben durch 11<br />
∆x = fC a (λ − λ 0 ). (4.3)<br />
D<strong>am</strong>it ergibt sich zum Beispiel mit einem Parabolspiegel <strong>der</strong> Brennweite f = 1 m, einem<br />
Puls mit einer Bandbreite ∆λ von 40 nm und einem Winkelchirp von C a = 1 µrad/nm,<br />
was ungefähr den gemessenen Werten im Experiment entspricht, ein maximaler Versatz<br />
von ∆x = 40 µm (gemessener Durchmesser des Fokus ohne Winkelchirp: 16 µm). Der<br />
Fokus wird also in Richtung des Winkelchirps gestreckt, ist dann elliptisch und seine<br />
Fläche verdoppelt sich ungefähr.<br />
Ein möglichst run<strong>der</strong> Fokus ist für den <strong>Beschleunigung</strong>sprozess <strong>am</strong> günstigsten. Desa<br />
Bei einem Strahldurchmesser von 3 mm, was ungefähr dem Durchmesser <strong>der</strong> Blenden im SPIDER entspricht,<br />
und einer Pulsfrontverkippung von 1 mrad hat die Projektion auf die Strahlachse eine Länge<br />
von 3 µm, was einer Dauer von 10 fs, also einem Drittel <strong>der</strong> Pulsdauer im Experiment entspricht.<br />
Die gemessene Pulsdauer wird dadurch um einige Femtosekunden länger, was allerdings wegen <strong>der</strong><br />
üblichen Schwankungen nicht auffällig ist.<br />
34
4. Experimente<br />
halb wird beim Fokussieren neben <strong>der</strong> Fläche auch die Form des Fokus optimiert. Ist<br />
<strong>der</strong> Fokus allerdings in einer Richtung wegen des Winkelchirps gestreckt, wird bei einem<br />
runden Fokus die an<strong>der</strong>e Richtung durch einen Astigmatismus b um den selben Faktor<br />
gestreckt.<br />
In Abbildung 4.2 ist <strong>der</strong> fokussierte <strong>Laser</strong>strahl für unterschiedliche z-Positionen zu<br />
sehen. Die Fokusposition liegt jeweils bei z = 0, negative Werte entsprechen <strong>der</strong> Richtung<br />
zur Parabel. Es tritt <strong>der</strong> oben beschriebene Effekt auf: Der Fokus wurde vor <strong>der</strong> ersten<br />
Messung, bei <strong>der</strong> <strong>der</strong> Puls noch eine deutliche Verkippung von 0, 5 mrad hatte, in Größe<br />
und Form optimiert. Aufgrund <strong>der</strong> Pulsfrontverkippung und des Astigmatismus geht <strong>der</strong><br />
Fokus beim Vergrößern des Abstandes in Ausbreitungsrichtung nicht rund auf, wie in<br />
Abbildung 4.2 zu sehen ist. Während <strong>der</strong> Messung wurde allerdings vermutet, dass dies<br />
auf eine schlechte Strahlmode zurückgeht.<br />
Nach dem Verdrehen des Kompressors wurde <strong>der</strong> Fokus nicht mehr optimiert, da eine<br />
Optimierung nach den üblichen Kriterien aus den genannten Gründen nicht sinnvoll<br />
erschien. Wegen <strong>der</strong> verkippten Pulsfront während des Fokussierens bleibt die Form des<br />
Fokus auch ohne Pulsfrontverkippung schlecht (vergleicht Abbildung 4.2 unten). Es ist<br />
zu erkennen, dass auch für α t = 0 mrad <strong>der</strong> Astigmatismus nicht verschwindet und <strong>der</strong><br />
Fokus wie erwartet eine elliptische Form bekommt. Seine Fläche nimmt von anfänglich<br />
220 µm 2 um 10% zu.<br />
Richtung und Richtungsstabilität <strong>der</strong> Elektronen Die Experimente wurden mit einer<br />
Pulsenergie von 570 mJ bis 650 mJ vor <strong>der</strong> Parabel durchgeführt. Die mit dem SPIDER<br />
gemessene Pulsdauer blieb konstant bei 33 fs ± 3 fs, die Verlängerung <strong>der</strong> Pulsdauer<br />
im Fokus durch die Pulsfrontverkippung ist dabei nicht berücksichtigt. Der Fokus hatte<br />
eine Fläche von 220 µm 2 ± 10 µm 2 , bevor <strong>am</strong> Kompressorgitter gedreht wurde. Der<br />
Hintergrunddruck betrug 40 bar, was in <strong>der</strong> Gasdüse zu einer Elektronendichte von ca.<br />
1, 2 × 10 19 /cm 3 führt. Für jeden Drehwinkel des Gitters wurden ca. 100 Bil<strong>der</strong> des Elektronenstrahlprofils<br />
<strong>am</strong> Zielschirm aufgenommen.<br />
In Abbildung 4.3 sind die gemittelten Bil<strong>der</strong> des Zielschirms zu sehen. Für die Mittelung<br />
werden alle Bil<strong>der</strong> eines Sets aufaddiert und das Ges<strong>am</strong>tbild wird durch die Bildanzahl<br />
geteilt. Die entsprechende Pulsfrontverkippung und die Laufzeitverzögerung, die den<br />
Werten aus Tabelle 4.1 entsprechen, sind den Bil<strong>der</strong>n zugeordnet.<br />
b Während des Verstärkungsprozesses und <strong>der</strong> Vergrößerung des Strahldurchmessers im <strong>Laser</strong> passiert<br />
<strong>der</strong> Puls mehrere Linsen, wodurch <strong>der</strong> Strahl schon im <strong>Laser</strong> einen Astigmatismus hat. Dieser kann<br />
dann beim Fokussieren durch eine Verän<strong>der</strong>ung des Einfallswinkels auf die Parabel kompensiert werden.<br />
Gleichzeitig entsteht aber durch eine Abweichung vom optimalen Einfallswinkel auf die Parabel<br />
auch ein Astigmatismus, <strong>der</strong> während des Fokussierens minimiert werden soll.<br />
35
4. Experimente<br />
Abweichung y / mrad Abweichung y / mrad Abweichung y / mrad Abweichung y / mrad<br />
40<br />
0<br />
−40<br />
−80<br />
−100 −50 0 50<br />
40<br />
0<br />
−40<br />
−80<br />
−100 −50 0 50<br />
40<br />
0<br />
−40<br />
−80<br />
−100 −50 0 50<br />
40<br />
0<br />
−40<br />
−80<br />
−100 −50 0 50<br />
C a,x = −0, 7 µrad/nm<br />
α = −0, 5 mrad<br />
∆τ g =105 fs<br />
C a,x = −0, 3 µrad/nm<br />
α = −0, 2 mrad<br />
∆τ g =39 fs<br />
C a,x = 0 µrad/nm<br />
α = 0 mrad<br />
∆τ g =0 fs<br />
C a,x = 0, 3 µrad/nm<br />
α = 0, 2 mrad<br />
∆τ g =46 fs<br />
Abweichung y / mrad<br />
40<br />
0<br />
−40<br />
−80<br />
−100 −50 0 50<br />
Abweichung x / mrad<br />
C a,x = 1, 2 µrad/nm<br />
α = 0, 9 mrad<br />
∆τ g =184 fs<br />
Abbildung 4.3.: Gezeigt sind die gemittelten Zielschirmbil<strong>der</strong> für unterschiedlichen Winkelchirp<br />
des <strong>Laser</strong>pulses mit entsprechen<strong>der</strong> Pulsfrontverkippung und Group Delay. Die<br />
weißen Punkte geben die Richtung <strong>der</strong> einzelnen Elektronenpackete an. Der Nullpunkt<br />
des Koordinatensystems entspricht <strong>der</strong> <strong>Laser</strong>richtung.<br />
36
4. Experimente<br />
100<br />
40<br />
Anteil in %<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
RMS / mrad<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
−2 −1 0 1 2<br />
C a / µrad/nm<br />
(a) Anteil an Schüssen mit rundem o<strong>der</strong> elliptischem<br />
Strahlprofil<br />
0<br />
−2 −1 0 1 2<br />
C a / µrad/nm<br />
(b) Richtungsstabilität<br />
Abbildung 4.4.: (a) Anteil <strong>der</strong> Schüsse, bei denen <strong>am</strong> Zielschirm ein Elektronenpaket mit rundem<br />
o<strong>der</strong> elliptischem Strahlprofil beobachtet wird. Das Vorzeichen des Winkelchirps<br />
wurde zur Unterscheidung <strong>der</strong> Richtungen gleich gewählt wie das des Drehwinkels<br />
ɛ x . (b) Richtungsstabilität <strong>der</strong> Elektronenpakete als RMS <strong>der</strong> Abweichung<br />
von <strong>der</strong> <strong>Laser</strong>achse.<br />
Zur Bestimmung <strong>der</strong> Richtungstabilität <strong>der</strong> Elektronenpakete wird eine Ellipse über<br />
das mit dem Zielschirm aufgenommene Strahlprofil <strong>der</strong> einzelnen Bil<strong>der</strong> gelegt. Der Mittelpunkt<br />
definiert die Richtung <strong>der</strong> Elektronen, die Hauptachse <strong>der</strong> Ellipse wird zur<br />
Berechnung <strong>der</strong> Divergenz genutzt. Gibt es mehrere Maxima o<strong>der</strong> ist das Profil zu breit<br />
gestreut, werden die Aufnahmen bei <strong>der</strong> Betrachtung <strong>der</strong> Richtungsstabilität und <strong>der</strong><br />
Divergenz nicht berücksichtigt c .<br />
Wie schon nach den Abschätzungen im letzten Abschnitt zu vermuten war, nimmt<br />
<strong>der</strong> Anteil <strong>der</strong> Schüsse, bei denen Elektronen detektiert werden, sowie die Ladung in<br />
den Elektronenpaketen schon mit einer Verdrehung des Gitters um ca. 0, 1 mrad wegen<br />
<strong>der</strong> deutlich längeren Pulsdauer im Fokus stark ab. Während ohne Pulsfrontverkippung<br />
in über 90 % <strong>der</strong> Fälle Elektronen mit einem runden o<strong>der</strong> elliptischen Strahlprofil beobachtet<br />
wurden, fällt die Wahrscheinlichkeit bei <strong>der</strong> ersten Verdrehung um ein Drittel<br />
(vergleiche Abbildung 4.4a). Wird ein Kompressorgitter also nur leicht verdreht, verschlechtert<br />
sich das Elektronensignal merklich.<br />
In Abbildung 4.4b ist zu sehen, dass die Richtungsstabilität <strong>der</strong> Elektronen mit zunehmen<strong>der</strong><br />
Pulsfrontverkippung abnimmt. Während ohne Pulsfrontverkippung die Abc<br />
Da für Anwendungen hauptsächlich die Elektronenpakete mit gutem Strahlprofil und geringer Divergenz<br />
von Bedeutung sind, wird in <strong>der</strong> Auswertung ihre Stabilität betrachtet. Die Richtungsstabilität<br />
erreicht dabei einen besseren Wert, weil die stark streuenden, divergenten Elektronenpakete nicht in<br />
die Betrachtung eingehen. Das sollte bei einem Vergleich mit an<strong>der</strong>en Messungen beachtet werden.<br />
37
4. Experimente<br />
20<br />
Position x / mrad<br />
10<br />
0<br />
−10<br />
−20<br />
−2 −1 0 1 2<br />
C a / µrad/nm<br />
Abbildung 4.5.: Gemittelte x-Position <strong>der</strong> Elektronenpakete, die Fehlerbalken geben die mittlere<br />
Divergenz eines Elektronenpakets in mrad an.<br />
weichung von <strong>der</strong> Strahlachse 9, 3 mrad RMS beträgt, steigt sie mit größer werdendem<br />
Kippwinkel. Die Bil<strong>der</strong> zum Messpunkt mit α t = 0, 3 mrad wurden mit einer kleineren<br />
Blende vor <strong>der</strong> K<strong>am</strong>era aufgenommen, weshalb nur die intensiven Elektronenpakete detektiert<br />
wurden, somit auch <strong>der</strong> Anteil von Elektronen mit rundem o<strong>der</strong> elliptischem<br />
Strahlprofil geringer ist. Wird die Richtungsstabilität <strong>der</strong> Messung mit α t = −0, 3 mrad<br />
und <strong>der</strong> Messung mit α t = 0, 3 mrad verglichen, liegt die Vermutung nahe, dass die intensiveren<br />
Elektronenpakete stabiler in <strong>der</strong> Richtung sind, während die Pakete mit weniger<br />
Elektronen stärker streuen.<br />
Die Richtung <strong>der</strong> Elektronen verän<strong>der</strong>t sich nicht mit einer Verkippung <strong>der</strong> Pulsfront,<br />
wie in Abbildung 4.5 zu erkennen ist. Die mittlere Divergenz <strong>der</strong> Sets ist als Fehlerbalken<br />
eingezeichnet. Erwartet wurde, dass sich die über ein Set gemittelte Richtung<br />
<strong>der</strong> Elektronen beim Drehen des Gitters in horizontaler Richtung verschiebt, wie von A.<br />
Popp et al. 23 in vertikaler Richtung gezeigt wurde. Die von A. Popp et al. gemessene<br />
Verschiebung bleibt allerdings unter 10 mrad, die Richtungsstabilität und die Divergenz<br />
<strong>der</strong> Elektronen liegt in <strong>der</strong> Messung <strong>am</strong> <strong>JETI</strong> im Bereich dieses Wertes wie in Abbildung<br />
4.5 und 4.4b zu sehen ist. Es ist daher möglich, dass eine Richtungsän<strong>der</strong>ung aus diesem<br />
Grund nicht gemessen werden konnte. A. Popp et al. haben eine gasgefüllte Kapillare als<br />
Gaszelle statt eines Gasjets zur <strong>Beschleunigung</strong> genutzt, wodurch eine deutlich bessere<br />
Richtungsstabilität erreicht wurde. Innerhalb <strong>der</strong> Gaszelle sind die Dichteschwankungen<br />
aufgrund von Turbulenzen im Gasfluss gering und es bildet sich ein homogeneres Gasdichteprofil<br />
aus als im Überschall-Gasjet, was die Stabilität des <strong>Beschleunigung</strong>sprozesses<br />
deutlich erhöht und d<strong>am</strong>it die Richtungsstabilität <strong>der</strong> Elektronen verbessert.<br />
38
4. Experimente<br />
2<br />
2<br />
dN/dE / a.u.<br />
1.5<br />
1<br />
0.5<br />
dN/dE / a.u.<br />
1.5<br />
1<br />
0.5<br />
0<br />
40 60 80 100<br />
Energie / MeV<br />
0<br />
40 60 80 100<br />
Energie / MeV<br />
(a) monoenergetisches Spektrum<br />
(b) Spektrum mit breitem Untergrund<br />
Abbildung 4.6.: (a) zeigt ein monoenergetisches Spektrum mit E max = 62 MeV und<br />
∆E/E = 9%; (b) zeigt ein Spektrum mit breitem Untergrund und einem Peak<br />
bei E max = 70 MeV. Die fehlenden Werte knapp unter 60 MeV entstehen durch<br />
die Lücke zwischen den beiden Schirmen.<br />
Spektren Die Spektren <strong>der</strong> Elektronen wurden nur für die Messung ohne Pulsfrontverkippung<br />
und mit α t = ±0, 2 mrad ausgewertet. Für alle weiteren Messungen war die<br />
Richtungsstabilität zu gering für den Akzeptanzwinkel des Spektrometers o<strong>der</strong> die Ladung<br />
in den Elektronenpaketen nicht ausreichend, um auf den Schirmen im Spektrometer<br />
ein Signal zu beobachten.<br />
Ohne Pulsfrontverkippung treffen 80% <strong>der</strong> Pulse ins Spektrometer. Die meisten Spektren<br />
zeigen einen breiten Untergrund mit einem kleinen Peak im Bereich zwischen 70 MeV<br />
und 90 MeV. Weniger als 5% <strong>der</strong> Spektren zeigen einen monoenergetischen d Peak mit<br />
einer Breite ∆E/E < 10%. Die maximale Energie dieser Spektren ist mit ca. 60 MeV<br />
etwas geringer. Zwei Beispielspektren sind in Abbildung 4.6 gezeigt.<br />
Mit einer um α t = 0, 3 mrad verkippten Pulsfront gelangen nur noch 40% <strong>der</strong> Elektronenpulse<br />
ins Spektrometer. Die Spektren zeigen wie auch bei <strong>der</strong> Messung ohne Winkelchirp<br />
einen breiten Untergrund mit einzelnen Peaks im gleichen Energiebereich, jedoch<br />
ist die Ladung pro Elektronenpaket geringer.<br />
4.1.2. Vertikale Pulsfrontverkippung<br />
Nach <strong>der</strong> horizontalen Drehung des Kompressorgitters soll auch die Auswirkung einer vertikalen<br />
Pulsfrontverkippung auf den Elektronenbeschleunigungsprozess untersucht werd<br />
Im experimentellen Teil <strong>der</strong> Arbeit werden die quasimonoenergetischen Spektren als „monoenergetisch“<br />
bezeichnet.<br />
39
4. Experimente<br />
(a) mit vertikal verkippter Pulsfront<br />
(b) minimal verkippte Pulsfront<br />
Abbildung 4.7.: Vergleich von Aufnahmen des Hochenergieschirms des Elektronenspektrometers.<br />
In (a) ist die Pulsfront in vertikaler Richtung verkippt, was zu einer Wellenform<br />
<strong>der</strong> Spektren führt, in (b) wurde die Pulsfrontverkippung minimiert, die Wellenform<br />
verschwindet.<br />
den. Nach <strong>der</strong> ersten Verkippung wurde allerdings <strong>der</strong> Strahl <strong>am</strong> letzten Spiegel des<br />
Kompressors abgeschnitten und die Messung musste abgebrochen werden. Mit dem interferometrischen<br />
Feldkorrelator wurde daraufhin die Pulsfrontverkippung so gering wie<br />
möglich eingestellt. Mit diesen beiden Messpunkten kann keine Aussage über eine eventuelle<br />
Strahlverschiebung o<strong>der</strong> eine verän<strong>der</strong>te Richtungsstabilität getroffen werden. Die<br />
gefundene optimale Position des Gitters stimmt nicht mit <strong>der</strong> Anfangsposition überein,<br />
was bedeutet, dass das Kompressorgitter während <strong>der</strong> horizontalen Drehung auch vertikal<br />
verkippt war.<br />
In den Spektren kann die von Popp et al. beschriebene Wellenform beobachtet werden,<br />
sobald eine vertikale Pulsfrontverkippung vorliegt (vergleiche Abbildung 4.7). Diese<br />
Wellenform tritt auch in den Spektren auf, die während <strong>der</strong> Messung in Abschnitt 4.1.1<br />
aufgenommen wurden. Nach <strong>der</strong> Korrektur <strong>der</strong> Pulsfrontverkippung verschwindet die<br />
Struktur und die Spektren sind wie<strong>der</strong> als Linie auf den Szintillationsschirmen zu sehen.<br />
Von A. Popp et al. 23 durchgeführte dreidimensionale PIC-Simulationen zeigen, dass<br />
sich aufgrund <strong>der</strong> Verkippung <strong>der</strong> Pulsfront ein Profil des Brechungsindex im Plasma<br />
ausbildet, das schräg zur <strong>Laser</strong>achse verläuft. Läuft <strong>der</strong> obere Teil des Pulses vor dem unteren,<br />
führt das dazu, dass <strong>der</strong> <strong>Laser</strong>puls sich langs<strong>am</strong> nach oben entlang dieses schrägen<br />
Profils von <strong>der</strong> Achse wegbewegt. Die Plasmawelle verliert ihre Symmetrie zur <strong>Laser</strong>achse.<br />
Dadurch werden die Elektronen nicht auf <strong>der</strong> ursprünglichen <strong>Laser</strong>propagationsachse<br />
injiziert, son<strong>der</strong>n etwas in vertikaler Richtung verschoben. Sie oszillieren deshalb um die<br />
Richtung des Elektronenstrahls und haben, aufgrund <strong>der</strong> unterschiedlichen Injektionszeiten,<br />
auch an<strong>der</strong>e <strong>Beschleunigung</strong>szeit erfahren. Daher gehören zu den verschiedenen<br />
Phasen <strong>der</strong> Oszillation auch unterschiedliche kinetische Energien. Im Spektrum führt das<br />
40
4. Experimente<br />
zu einer Ablenkung nach oben o<strong>der</strong> unten, die von <strong>der</strong> Elektronenenergie abhängt und somit<br />
zur beobachteten Wellenform führt. Die horizontale Pulsfrontverkippung verursacht<br />
keine Wellenform, da die Elektronen in horizontaler Richtung oszillieren und das nur zu<br />
einer Positionsverschiebung auf dem Energieschirm führt. Die Elektronen scheinen eine<br />
an<strong>der</strong>e Energie zu haben.<br />
Zus<strong>am</strong>menfassung des Abschnitts Die Messung hat gezeigt, dass <strong>der</strong> <strong>Beschleunigung</strong>sprozess<br />
durch eine verkippte Pulsfront stark beeinflusst wird. Schon bei minimaler Abweichung<br />
von <strong>der</strong> optimalen Justage des Kompressors sinkt die Ges<strong>am</strong>tladung <strong>der</strong> Elektronenpakete<br />
und die Richtungsstabilität nimmt ab. Die erwartete Richtungsän<strong>der</strong>ung<br />
konnte in den Messungen wahrscheinlich aufgrund <strong>der</strong> zu großen Divergenz und zu geringen<br />
Richtungsstabilität <strong>der</strong> Elektronen nicht beobachtet werden. Zudem scheinen die<br />
Diagnostik, die momentan zur Messung <strong>der</strong> Pulsfrontverkippung verwendet wird, und die<br />
Genauigkeit, mit <strong>der</strong> das Kompressorgitter justiert werden kann, für die Anfor<strong>der</strong>ungen<br />
des Experiments nicht ausreichend zu sein.<br />
4.2. Variation <strong>der</strong> Ladungsträgerdichte bei unterschiedlicher<br />
Pulsenergie des <strong>Laser</strong>s<br />
Über den Hintergrunddruck des Gasjets wird die Elektronendichte n e im Plasma variiert.<br />
Bei drei unterschiedlichen Pulsenergien des <strong>Laser</strong>s wird dabei beobachtet, wie das Strahlprofil<br />
<strong>der</strong> einzelnen Elektronenpakete, die Richtungsstabilität sowie das Energiespektrum<br />
sich verän<strong>der</strong>n.<br />
Die Elektronendichte wurde für einen Wert des Hintergrunddrucks in einem späteren<br />
Experiment <strong>am</strong> selben Aufbau über eine interferometrische Messung bestimmt. Über die<br />
Dichte an diesem Messpunkt und den linearen Anstieg vom Ursprung zu diesem Punkt<br />
werden die weiteren Werte festgelegt. Die Elektronendichte wird während <strong>der</strong> Messungen<br />
von 3 × 10 18 /cm 3 bis 2, 4 × 10 19 /cm 3 variiert. Unterhalb einer Dichte von 9 × 10 18 /cm 3<br />
konnten keine Elektronen <strong>am</strong> Zielschirm detektiert werden, weshalb diese Messungen im<br />
Folgenden nicht mehr betrachtet werden. Die Pulsenergie wurde vom maximal verfügbaren<br />
Wert 0, 6 J vor <strong>der</strong> Parabel auf 0, 45 J und 0, 3 J reduziert. Nach dem Fokussieren<br />
wurde eine FWHM-Fokusfläche von 200 µm 2 und ein q-Wert von 0,24 erreicht. Die Pulsdauer<br />
betrug 32 fs. Die im Fokus erreichte Intensität I t und das normierte Vektorpotential<br />
a 0 sind in <strong>der</strong> folgenden Tabelle aufgetragen.<br />
41
4. Experimente<br />
E t I t a 0<br />
0, 6 J 2, 3 × 10 18 W/cm 2 1,1<br />
0, 45 J 1, 7 × 10 18 W/cm 2 0,8<br />
0, 3 J 1, 1 × 10 18 W/cm 2 0,5<br />
Tabelle 4.2.: Nach (3.1) und (2.35) berechnete Werte für die Intensität I t im Fokus und normiertes<br />
Vektorpotential a 0 für die drei gewählten Pulsenergien E t vor <strong>der</strong> Parabel.<br />
Auswertung <strong>der</strong> Zielschirmbil<strong>der</strong> In Abbildung 4.8 sind die gemittelten Zielschirmbil<strong>der</strong><br />
gezeigt. Elektronenbeschleunigung ist mit je<strong>der</strong> <strong>der</strong> drei unterschiedlichen Pulsenergien<br />
möglich. Mit sinken<strong>der</strong> Energie ist aber eine Zunahme <strong>der</strong> Gas- und somit Elektronendichte<br />
nötig. Während bei voller Energie schon bei einer Dichte von 9 × 10 18 /cm 3<br />
Elektronen auf dem Zielschirm detektiert werden, ist bei einer Pulsenergie von 0, 45 J<br />
eine Elektronendichte von 1, 2 × 10 19 /cm 3 und bei 0, 3 J über 1, 8 × 10 19 /cm 3 nötig.<br />
In Abbildung 4.9a ist <strong>der</strong> Anteil <strong>der</strong> Elektronenpakete mit rundem o<strong>der</strong> elliptischem<br />
Strahlprofil aufgetragen. Wie im vorherigen Abschnitt wird über das Strahlprofil <strong>am</strong><br />
Zielschirmbild eine Ellipse gelegt, <strong>der</strong>en Mittelpunkt als Strahlrichtung gewählt und <strong>der</strong>en<br />
Hauptachse zur Berechnung <strong>der</strong> Divergenz des Strahls genutzt wird. Bei zu niedriger<br />
Elektronendichte können dabei keine Elektronen <strong>am</strong> Zielschirm beobachtet werden<br />
o<strong>der</strong> die Ladung des detektierten Elektronenpakets ist zu gering, sodass es nicht in die<br />
Auswertung eingeht. Im Bereich mittlerer Elektronendichte zwischen 1, 2 × 10 19 /cm 3<br />
und 1, 5 × 10 19 /cm 3 erreicht <strong>der</strong> Anteil an Elektronenpaketen mit gutem Strahlprofil<br />
ein Maximum. Mit höheren Dichten steigt die Ges<strong>am</strong>thelligkeit <strong>der</strong> Zielschirmbil<strong>der</strong>, die<br />
Elektronen sind aber breit gestreut, in <strong>der</strong> Richtung nicht stabil und es treten mehrere<br />
Maxima gleichzeitig auf. Die gemittelten Bil<strong>der</strong> zeigen deshalb bei Elektronendichten<br />
von 1, 8 × 10 19 /cm 3 und 2, 4 × 10 19 /cm 3 trotz höherer Ladung pro Elektronenpaket eine<br />
breitere und daher weniger intensive Verteilung. Der Anteil an Elektronenpaketen mit<br />
rundem o<strong>der</strong> elliptischem Strahlprofil ist in diesem Bereich wie<strong>der</strong> geringer.<br />
Ein charakteristisches Einzelbild für jeden <strong>der</strong> Messpunkte ist in Abbildung 4.10 gezeigt.<br />
Während bei geringen Dichten das Strahlprofil annähernd rund bis elliptisch und<br />
die Ladung auf einen kleinen Bereich des Zielschirms konzentriert ist, nimmt <strong>der</strong> Untergrund<br />
mit <strong>der</strong> Elektronendichte zu, bis bei einer Dichte von 2, 4 × 10 19 /cm 3 <strong>der</strong> Schirm<br />
fast ganz ausgeleuchtet ist und mehrere kleine Maxima zu erkennen sind.<br />
Im Diagr<strong>am</strong>m in Abbildung 4.9b ist die Richtungsstabilität <strong>der</strong> einzelnen Messungen<br />
aufgetragen. Der ansteigende RMS-Wert zeigt, dass die Elektronenrichtung bei höheren<br />
Dichten stärker streut. Die höchste Richtungsstabilität wird jeweils <strong>am</strong> zweiten Mess-<br />
42
4. Experimente<br />
E = 0.6 J E = 0.45 J E = 0.3 J<br />
ne = 2.4 · 10 19 /cm 3<br />
ne = 1.8 · 10 19 /cm 3<br />
ne = 1.5 · 10 19 /cm 3<br />
ne = 1.2 · 10 19 /cm 3<br />
ne = 0.9 · 10 19 /cm 3<br />
Abbildung 4.8.: Über ein Set gemittelte Zielschirmbil<strong>der</strong> für verschiedene Pulsenergien E t des<br />
<strong>Laser</strong>s vor <strong>der</strong> Parabel (Spalten) und unterschiedliche Elektronendichten n e im<br />
Gasjet (Zeilen).<br />
43
4. Experimente<br />
E t = 0, 6 J<br />
E t = 0, 45 J<br />
E t = 0, 3 J<br />
E t = 0, 6 J<br />
E t = 0, 45 J<br />
E t = 0, 3 J<br />
100<br />
40<br />
Anteil in %<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
RMS / mrad<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
1 1.5 2 2.5<br />
Elektronendichte / cm −3<br />
(a) Anteil an Schüssen mit rundem o<strong>der</strong> elliptischem<br />
Strahlprofil<br />
0<br />
1 1.5 2 2.5<br />
Elektronendichte / cm −3<br />
(b) Richtungsstabilität<br />
Abbildung 4.9.: (a) zeigt den Anteil <strong>der</strong> Elektronenpakete mit rundem o<strong>der</strong> elliptischem Strahlprofil.<br />
(b) Richtungsstabilität als RMS <strong>der</strong> Abweichung von <strong>der</strong> <strong>Laser</strong>achse.<br />
punkt erreicht, an dem auch <strong>der</strong> Anteil an Elektronenpaketen mit rundem o<strong>der</strong> elliptischem<br />
Strahlprofil ein Maximum hat.<br />
´<br />
Für lineare Plasmawellen kann die Abhängigkeit von <strong>Laser</strong>intensität und Elektronendichte<br />
über die Gleichungen (2.53) und (2.57) abgeschätzt werden: Gleichung (2.57) gibt<br />
das mittlere elektrische Feld Ēz in einer linearen Plasmawelle an, Gleichung (2.53) das<br />
elektrische Feld, bei dem die Welle bricht. Zum Zeitpunkt des Wellenbrechens sind die<br />
beiden Fel<strong>der</strong> gleich:<br />
Ē z = E wb (4.4)<br />
√<br />
ω p m e c a 2 0<br />
e 4 = m ( )<br />
ecω p ω<br />
2 − 1<br />
(4.5)<br />
e ω p<br />
√<br />
a 2 ( )<br />
0 ω<br />
4 = 2 − 1<br />
(4.6)<br />
ω p<br />
Da das normierte Vektorpotential a 0 proportional zur Wurzel <strong>der</strong> <strong>Laser</strong>intensität ist,<br />
ergibt sich daraus <strong>der</strong> Zus<strong>am</strong>menhang I L ∝ 1/ √ ω p . D<strong>am</strong>it ist die <strong>Laser</strong>intensität I wb ,<br />
die zum Brechen <strong>der</strong> Plasmawelle nötig ist, proportional zu 1/ √ ω p . Mit zunehmen<strong>der</strong><br />
44
4. Experimente<br />
E = 0.6 J E = 0.45 J E = 0.3 J<br />
ne = 2.4 · 10 19 /cm 3<br />
ne = 1.8 · 10 19 /cm 3<br />
ne = 1.5 · 10 19 /cm 3<br />
ne = 1.2 · 10 19 /cm 3<br />
ne = 0.9 · 10 19 /cm 3<br />
Abbildung 4.10.: Gezeigt ist je ein charakteristisches Einzelbild für jeden Messpunkt des Dichte-<br />
Energie-Scans. Die drei Spalten entsprechen <strong>der</strong> Pulsenergie E t <strong>am</strong> Target, die<br />
Zeilen sind aufsteigend nach <strong>der</strong> Elektronendichte n e angeordnet.<br />
45
4. Experimente<br />
Elektronendichte nimmt nach (2.20) die Plasmafrequenz zu und d<strong>am</strong>it die Intensität I wb<br />
ab, wie es auch in den Messungen beobachtet wurde. Gleichzeitig nimmt nach (2.56)<br />
die Dephasing Länge ab, was eine Ursache für das schlechter werdende Strahlprofil mit<br />
zunehmen<strong>der</strong> Elektronendichte sein kann.<br />
Pukhov et al. 3 haben wie schon in Abschnitt 2.3.4 erwähnt gezeigt, dass dreidimensionale<br />
Effekte einen starken <strong>Einfluss</strong> auf die zum Wellenbrechen nötige Energie, aber auch<br />
auf den <strong>Beschleunigung</strong>smechanismus haben. Mit <strong>der</strong> Elektronendichte nimmt die Plasmawellenlänge<br />
λ p ab. Während <strong>der</strong> Messungen wurde also das Verhältnis von Pulslänge<br />
cτ p zur Plasmawellenlänge λ p variiert.<br />
Mit maximaler Pulsenergie wird bei den beiden geringsten Dichten eine sehr hohe Richtungsstabilität<br />
von ca. 10 mrad erreicht. Dieser Bereich kommt dem Regime des hochgradig<br />
nichtlinearen Wellenbrechens <strong>am</strong> nächsten. Mit zunehmen<strong>der</strong> Elektronendichte wird<br />
das Strahlprofil und die Richtungsstabilität schlechter, das <strong>Beschleunigung</strong>sregime än<strong>der</strong>t<br />
sich. Mit geringerer Pulsenergie kann kaum noch das gute Strahlprofil des Regimes<br />
des hochgradig nichtlinearen Wellenbrechens erreicht werden.<br />
Energie und spektrale Verteilung <strong>der</strong> Elektronen Zur Auswertung <strong>der</strong> Spektren, die<br />
auf den beiden Schirmen im Elektronenspektrometer aufgenommen wurden, werden diese<br />
in drei unterschiedliche Kategorien unterteilt: Zum einen monoenergetische Spektren, die<br />
einen Peak mit einer Halbwertsbreite ∆E bei <strong>der</strong> Peakenergie E max haben und <strong>der</strong>en<br />
Wert ∆E/E max kleiner 10% bzw. kleiner 20% ist, zum an<strong>der</strong>en Spektren, die ein breites<br />
Plateau mit einzelnen Maxima zeigen, und Spektren mit exponentiellem Abfall zu hohen<br />
Energien hin, die nur noch einzelne kleinere Peaks zeigen. In Abbildung 4.11 ist jeweils<br />
ein Beispiel für ein solches Spektrum gezeigt.<br />
Für jedes Set wird <strong>der</strong> Anteil <strong>der</strong> Spektren bestimmt, die diesen Kategorien entsprechen.<br />
Die Verteilung ist in Abbildung 4.12 gezeigt. Mit maximaler Pulsenergie ist die<br />
Ges<strong>am</strong>tzahl <strong>der</strong> Elektronenpakete, bei denen auf den Schirmen im Spektrometer ein Signal<br />
aufgenommen werden konnte, <strong>am</strong> höchsten. Mit mittlerer Pulsenergie reduziert sie<br />
sich um ca. 20 %, während bei <strong>der</strong> niedrigsten Pulsenergie bei weniger als <strong>der</strong> Hälfte <strong>der</strong><br />
Schüsse Spektren aufgenommen werden konnten. Aufgrund des Akzeptanzwinkels des<br />
Spektrometers und <strong>der</strong> abnehmenden Richtungsstabilität <strong>der</strong> Elektronen sinkt die Ges<strong>am</strong>tzahl<br />
<strong>der</strong> Pakete, die das Spektrometer treffen, ab einer Dichte von 1, 8 × 10 19 /cm 3 .<br />
Auch an den Spektren kann <strong>der</strong> von Pukhov et al. beschriebene Übergang zwischen<br />
den unterschiedlichen <strong>Beschleunigung</strong>sregimes beobachtet werden. Mit maximaler Pulsenergie<br />
wird die höchste Zahl von Spektren mit einem Peak mit maximaler Breite ∆E/E<br />
von 20% erreicht. Wird die Elektronendichte erhöht o<strong>der</strong> die Pulsenergie des <strong>Laser</strong> redu-<br />
46
4. Experimente<br />
0.6<br />
1.5<br />
dN/dE / a.u.<br />
0.4<br />
0.2<br />
dN/dE / a.u.<br />
1<br />
0.5<br />
0<br />
40 60 80 100 120<br />
Energie / MeV<br />
0<br />
40 60 80 100 120<br />
Energie / MeV<br />
(a) monoenergetisches Spektrum I<br />
(b) monoenergetisches Spektrum II<br />
dN/dE / a.u.<br />
2<br />
1.5<br />
1<br />
0.5<br />
dN/dE / a.u.<br />
1<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
0<br />
40 60 80 100 120<br />
Energie / MeV<br />
(c) Spektrum mit breitem Untergrund<br />
0<br />
40 60 80 100 120<br />
Energie / MeV<br />
(d) exponentielles Spektrum<br />
Abbildung 4.11.: (a) monoenergetisches Spektrum mit E max = 91 MeV und ∆E/E = 4%; (b)<br />
monoenergetisches Spektrum mit E max = 60 MeV und ∆E/E = 20%; (c) Spektrum<br />
mit breitem Untergrund; (d) exponentielles Spektrum mit einzelnen Peaks<br />
ziert, nimmt <strong>der</strong>en Zahl ab, die Spektren zeigen ein breites Plateau, bevor <strong>der</strong> Anteil an<br />
Spektren, die einen exponentiellen Abfall mit einzelnen, kleineren Peaks zeigen, zunimmt.<br />
Die über ein Set gemittelte Peakenergie <strong>der</strong> monoenergetischen Spektren verän<strong>der</strong>t sich<br />
unter Variation <strong>der</strong> Dichte und Pulsenergie kaum. Die Energie <strong>der</strong> einzelnen Schüsse liegt<br />
meist gleichmäßig verteilt zwischen 60 MeV und 90 MeV. Mit einer Energieauflösung des<br />
Spektrometers von ca. 20 MeV in diesem Bereich lässt sich keine Tendenz zu höherer<br />
o<strong>der</strong> niedrigerer mittlerer Energie bei steigen<strong>der</strong> Elektronendichte feststellen. Nur bei<br />
<strong>der</strong> geringsten Pulsenergie von 0, 3 J wird eine deutliche Abnahme <strong>der</strong> Elektronenenergie<br />
<strong>der</strong> monoenergetischen Spektren auf 30 MeV festgestellt.<br />
47
4. Experimente<br />
100<br />
E t = 0, 6 J<br />
80<br />
Anteil in %<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
1 1.5 2 2.5<br />
n e / 1 × 10 19 cm 3<br />
Peak mit ∆E/E < 10%<br />
Peak mit ∆E/E < 20%<br />
breites Spektrum<br />
exponentielles Spektrum<br />
100<br />
E t = 0, 45 J<br />
100<br />
E t = 0, 3 J<br />
80<br />
80<br />
Anteil in %<br />
60<br />
40<br />
20<br />
Anteil in %<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
1 1.5 2 2.5<br />
n e / 1 × 10 19 cm 3<br />
0<br />
1 1.5 2 2.5<br />
n e / 1 × 10 19 cm 3<br />
Abbildung 4.12.: In den Diagr<strong>am</strong>men ist für die drei unterschiedlichen Pulsenergien <strong>der</strong> Anteil<br />
an den Spektren dargestellt, die einen Peak mit einer Breite ∆E/E kleiner 10%<br />
bzw. 20% haben, ein breites Plateau o<strong>der</strong> einen exponentiellen Verlauf zeigen.<br />
Zus<strong>am</strong>menfassung des Abschnitts Anhand <strong>der</strong> Ergebnisse in diesem Abschnitt ist<br />
die optimale Dichte für die Elektronenbeschleunigung zwischen 1, 2 × 10 19 /cm 3 und<br />
1, 5 × 10 19 /cm 3 bei maximaler Pulsenergie des <strong>Laser</strong>s. Die Richtungsstabilität und das<br />
Strahlprofil sind dabei <strong>am</strong> besten. Zudem ist <strong>der</strong> Anteil <strong>der</strong> monoenergetischen Spektren<br />
in diesem Bereich <strong>am</strong> höchsten. Wird weniger Pulsenergie des <strong>Laser</strong>s genutzt, können<br />
erst bei höheren Dichten Elektronen beschleunigt werden, allerdings wird das Strahlprofil<br />
schon bei <strong>der</strong> minimalen Dichte, bei <strong>der</strong> Elektronen detektiert werden, breiter. Würde<br />
eine höhere Pulsenergie zur Verfügung stehen, wäre die optimale Dichte voraussichtlich<br />
geringer und die Richtungsstabilität würde wie die Zahl <strong>der</strong> monoenergetischen Spektren<br />
zunehmen.<br />
48
4.3. Variation <strong>der</strong> Pulsdauer<br />
4. Experimente<br />
In diesem Abschnitt wird die Pulsdauer des <strong>Laser</strong>pulses durch eine Verän<strong>der</strong>ung des<br />
Abstands <strong>der</strong> Kompressorgitter variiert. Bei einer Elektronendichte von 1, 5 × 10 19 /cm 3<br />
und von 0, 9 × 10 19 /cm 3 konnte <strong>der</strong> <strong>Einfluss</strong> des Chirps auf die Elektronenbeschleunigung<br />
untersucht werden.<br />
Nach Gleichung (2.9) än<strong>der</strong>t sich <strong>der</strong> Chirppar<strong>am</strong>eter linear mit dem Gitterabstand,<br />
mit Gleichung (2.6) kann d<strong>am</strong>it die verän<strong>der</strong>te Pulsdauer τ p ′ berechnet werden. Dabei<br />
wird <strong>der</strong> Abstand l 0 , mit dem die kürzesten Pulse erreicht werden, als Ausgangspunkt<br />
genommen und im Folgenden wird nur die Abweichung von diesem Abstand, <strong>der</strong> relative<br />
Gitterabstand ∆l, betrachtet. Die verän<strong>der</strong>te Pulsdauer τ p ′ ist gegeben durch<br />
τ ′ p = τ p<br />
√<br />
1 + a 2 (4.7)<br />
mit dem Chirppar<strong>am</strong>eter a des Kompressors<br />
a = − 1<br />
τ 2 p<br />
λ 0 (∆l)<br />
πc 2 λ 2 0<br />
G −2 − (λ 0 /2) 2 . (4.8)<br />
Ist <strong>der</strong> Abstand <strong>der</strong> Gitter kleiner als l 0 , hat <strong>der</strong> Puls nach dem Kompressor einen<br />
positiven Chirp mit a > 0 , ist <strong>der</strong> Abstand größer als l 0 , ist <strong>der</strong> Puls negativ gechirpt.<br />
Die Pulsdauer wurde mit dem SPIDER gemessen. Der minimale Wert, <strong>der</strong> erreicht<br />
wurde, war 31 fs. Aus <strong>der</strong> Pulsdauer an den verschiedenen Messpunkten können <strong>der</strong><br />
Chirppar<strong>am</strong>eter a und <strong>der</strong> relative Gitterabstand ∆l <strong>der</strong> Gitter berechnet werden. Die<br />
entsprechenden Werte sind in Tabelle 4.3 aufgeführt.<br />
τ ′ p a ∆l<br />
71 fs 2,1 −0, 33 mm<br />
57 fs 1,6 −0, 25 mm<br />
49 fs 1,2 −0, 20 mm<br />
40 fs 0,8 −0, 13 mm<br />
31 fs 0 0, 0 mm<br />
40 fs -0,8 0, 13 mm<br />
49 fs -1,2 0, 20 mm<br />
57 fs -1,6 0, 25 mm<br />
Tabelle 4.3.: Mit SPIDER bestimmte Pulsdauern τ ′ p, <strong>der</strong> daraus nach Gleichung (4.7) berechnete<br />
Chirppar<strong>am</strong>eter a für einen Gitterkompressor und <strong>der</strong> nach Gleichung (4.8)<br />
berechnete relative Gitterabstand ∆l.<br />
49
4. Experimente<br />
100<br />
n e = 9 × 10 18 /cm 3<br />
n e = 1, 5 × 10 19 /cm 3<br />
40<br />
n e = 1, 5 × 10 19 /cm 3<br />
Anteil in %<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
RMS / mrad<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
−0.2 0 0.2<br />
∆l / mm<br />
(a) Anteil an Schüssen mit rundem o<strong>der</strong> elliptischem<br />
Strahlprofil<br />
0<br />
−0.2 0 0.2<br />
∆l / mm<br />
(b) Richtungsstabilität<br />
Abbildung 4.13.: (a) Anteil <strong>der</strong> Schüsse, bei denen <strong>am</strong> Zielschirm ein Elektronenpaket beobachtet<br />
wurde, das ein rundes o<strong>der</strong> elliptisches räumliches Profil zeigt. Die Verteilung<br />
ist nicht symmetrisch zu Null. (b) Richtungsstabilität als RMS <strong>der</strong> Abweichung<br />
von <strong>der</strong> <strong>Laser</strong>achse.<br />
<strong>Einfluss</strong> <strong>der</strong> Pulsdauer auf Richtung und Stabilität <strong>der</strong> beschleunigten Elektronen<br />
Wird das Profil <strong>der</strong> Elektronenpakete auf dem Zielschirm betrachtet, ist sowohl an den<br />
gemittelten Bil<strong>der</strong>n in Abbildung 4.14 als auch in Abbildung 4.13a an <strong>der</strong> Zahl <strong>der</strong><br />
einzelnen Schüsse, bei denen eine Ellipse an das Profil angefittet werden kann, deutlich zu<br />
erkennen, dass die Zahl <strong>der</strong> Elektronen mit zunehmen<strong>der</strong> Pulsdauer abnimmt. Während<br />
bei einer Elektronendichte von 1, 5 × 10 19 /cm 3 mit einer Pulsdauer von 31 fs bei allen<br />
Einzelschüssen auf dem Zielschirm Elektronen detektiert wurden, fällt <strong>der</strong> Anteil für eine<br />
Pulsdauer von 40 fs mit negativen Chirp auf 50%. Für einen positiv gechirpten <strong>Laser</strong>puls<br />
gleicher Dauer sinkt die Wahrscheinlichkeit nur auf 85%, mit positiven Chirp und einer<br />
Pulsdauer von 49 fs nur auf 70%. Diese Asymmetrie ist in den gemittelten Bil<strong>der</strong>n in<br />
Abbildung 4.14 für beide Elektronendichten zu erkennen.<br />
Die Dispersion zweiter Ordnung kann nicht die Ursache für diesen Effekt sein. Sie ist<br />
proportional zur zweiten Ableitung <strong>der</strong> Wellenzahl k im Plasma nach <strong>der</strong> <strong>Laser</strong>frequenz<br />
ω:<br />
∂ 2 k<br />
∂ω 2 = 1 c<br />
ω 2 p<br />
√<br />
ω 2 − ω 2 p<br />
(4.9)<br />
Dieser Wert ist positiv. Somit würde ein negativ gechirpter Puls im Plasma durch die Dispersion<br />
zweiter Ordnung verkürzt werden, ein positiv gechirpter Puls läuft jedoch weiter<br />
50
4. Experimente<br />
n e = 9 × 10 18 /cm 3 n e = 1, 5 × 10 19 /cm 3<br />
negativer Chirp positiver Chirp<br />
45 fs<br />
38 fs<br />
31 fs<br />
38 fs<br />
48 fs<br />
57 fs<br />
Abbildung 4.14.: Gemittelte Zielschirmbil<strong>der</strong> für unterschiedliche Pulsdauer. Die Pulsdauer wird<br />
durch Verän<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> Dispersion zweiter Ordnung variiert.<br />
51
4. Experimente<br />
auseinan<strong>der</strong>. Demnach sollte <strong>der</strong> <strong>Beschleunigung</strong>sprozess mit einem negativ gechirpten<br />
Puls effizienter sein. Die Messung zeigt aber ein gegenteiliges Verhalten.<br />
Leemans et al. nennen als Grund für die Asymmetrie Dispersion höherer Ordnung. 24<br />
Diese Dispersion entsteht im Strecker o<strong>der</strong> Kompressor des <strong>Laser</strong>systems o<strong>der</strong> während<br />
des Verstärkungsprozesses beim Durchgang des Pulses durch Material und führt zu einer<br />
Verän<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> Pulsform. Ein ideal justierter Kompressor kann die Dispersion dritter<br />
Ordnung durch den Einfallswinkel auf das Gitter kompensieren. Auch die Dispersion<br />
dritter Ordnung verän<strong>der</strong>t sich mit dem Gitterabstand <strong>der</strong> Kompressorgitter, wird also<br />
bei einer Verän<strong>der</strong>ung des Gitterabstands nicht mehr vollständig kompensiert. Somit hat<br />
<strong>der</strong> Gitterabstand einen direkten <strong>Einfluss</strong> auf die Pulsform.<br />
Ein <strong>Laser</strong>puls mit einer steil ansteigenden und einer langs<strong>am</strong> abfallenden Flanke sorgt<br />
für einen effizienteren <strong>Beschleunigung</strong>sprozess als ein Puls mit langs<strong>am</strong> ansteigen<strong>der</strong> und<br />
schnell abfallen<strong>der</strong> Flanke. Wird <strong>der</strong> <strong>Laser</strong>puls durch Dispersion dritter Ordnung nun<br />
so verän<strong>der</strong>t, dass für einen kleineren relativen Gitterabstand die ansteigende Pulsflanke<br />
steiler wird und bei größerem relativen Abstand flacher, entsteht die im Experiment<br />
beobachtete Asymmetrie bezüglich <strong>der</strong> kürzesten Pulsdauer. Die Dispersion höherer Ordnung<br />
wurde während <strong>der</strong> Messung nicht bestimmt, weshalb nur vermutet werden kann,<br />
dass diese die Ursache für die Asymmetrie ist.<br />
Die Richtungsstabilität und die Anzahl <strong>der</strong> Schüsse mit gutem Strahlprofil sind für diese<br />
Messung in Abbildung 4.13 aufgetragen. Die Werte sind ähnlich wie in den Messungen<br />
zuvor.<br />
Interessant ist ein Vergleich <strong>der</strong> beiden Messungen mit einer Pulsdauer von ca. 40 fs und<br />
<strong>der</strong> Messung aus Abschnitt 4.1.1 mit einem Puls mit Winkelchirp C a,x = 0, 1 µrad/nm,<br />
was mit dem Strahldurchmesser des <strong>JETI</strong> einer Laufzeitverzögerung von ca. 40 fs entspricht.<br />
Der Anteil <strong>der</strong> Schüsse mit elliptischem Strahlprofil ist bei <strong>der</strong> Messung mit<br />
asymmetrischem <strong>Laser</strong>puls und positivem Chirp in dieser Messung mit etwas über 80%<br />
<strong>am</strong> besten, gefolgt von dem Wert mit Winkelchirp aus Abschnitt 4.1.1, <strong>der</strong> bei ca. 70%<br />
liegt (vergleiche Abbildung 4.4a). Dieser Wert wurde mit einer Elektronendichte von<br />
1, 2 × 10 19 /cm 3 erreicht, mit <strong>der</strong> in dieser Messreihe gewählten Elektronendichte von<br />
1, 5 × 10 19 /cm 3 würde ein etwas geringerer Wert erwartet werden. Mit asymmetrischem<br />
<strong>Laser</strong>puls und negativem Chirp wird nur ein Wert von ca. 50% erreicht, was deutlich<br />
schlechter ist als die beiden an<strong>der</strong>en. Mit Winkelchirp wird <strong>der</strong> Puls im Fokus zwar<br />
länger, er sollte aber zeitlich keine Asymmetrie zeigen, 22 solange das Strahlprofil des<br />
<strong>Laser</strong>strahls annähernd homogen ist. Die zeitliche Pulsform scheint zumindest bei einer<br />
Pulsdauer über 40 fs einen großen <strong>Einfluss</strong> auf das Ergebnis des <strong>Beschleunigung</strong>sprozesses<br />
zu haben.<br />
52
4. Experimente<br />
Energie <strong>der</strong> Elektronen Es wurden wie<strong>der</strong> nur die Spektren <strong>der</strong> Sets mit minimaler<br />
Pulsdauer und <strong>der</strong> beiden Sets mit einer Elektronendichte von 1, 5 × 10 19 /cm 3 und einer<br />
Pulsdauer von ca. 40 fs ausgewertet. Die Spektren, die mit unterschiedlicher Pulsdauer<br />
aufgenommen wurden, zeigen ähnliche Merkmale wie bei den Messungen zuvor. Wird<br />
das Spektrometer getroffen, bewegt sich die maximale Energie zwischen 60 MeV und<br />
90 MeV. Dabei haben die meisten Spektren einen breiten Untergrund mit einem Peak<br />
in diesem Bereich. Die Zahl <strong>der</strong> Schüsse, die ins Spektrometer gelangen, korreliert wie<strong>der</strong><br />
mit <strong>der</strong> Helligkeit <strong>der</strong> gemittelten Zielschirmbil<strong>der</strong> und <strong>der</strong> Richtungsstabilität <strong>der</strong><br />
Elektronenpakete.<br />
Zus<strong>am</strong>menfassung des Abschnitts Das zeitliche Profil des <strong>Laser</strong>pulses scheint einen<br />
starken <strong>Einfluss</strong> auf den <strong>Beschleunigung</strong>sprozess zu haben. Das zeigt sich vor allem,<br />
sobald die Dispersion dritter Ordnung, die die Pulsform beeinflussen kann, über den<br />
Abstand <strong>der</strong> Gitter im Kompressor verän<strong>der</strong>t wird. Mit minimaler Pulsdauer wird das<br />
beste Ergebnis erreicht. Das zeitliche Profil des Pulses ist dabei symmetrisch, da die<br />
Phase des Pulses über die Kopplung von DAZZLER und SPIDER geglättet wird.<br />
53
5. Zus<strong>am</strong>menfassung<br />
In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass verschiedene Par<strong>am</strong>eter des <strong>Laser</strong>pulses einen entscheidenden<br />
<strong>Einfluss</strong> auf den <strong>Beschleunigung</strong>sprozess haben.<br />
Eine Verkippung <strong>der</strong> Pulsfront führt, wie in Abschnitt 4.1 gezeigt, zu einer Verschlechterung<br />
des Elektronensignals. Während <strong>der</strong> Messung wurde ein Kompressorgitter in horizontaler<br />
Richtung verdreht. Kleine Abweichungen von <strong>der</strong> optimalen Justage des Kompressors<br />
führen dabei zu einer deutlichen Abnahme <strong>der</strong> Richtungsstabilität <strong>der</strong> einzelnen<br />
Elektronenpakete und einer Verschlechterung des Strahlprofils, eine Än<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> mittleren<br />
Richtung <strong>der</strong> Elektronen bei unterschiedlich stark verkippter Pulsfront wie von<br />
A. Popp et al. 23 beobachtet konnte hingegen nicht beobachtet werden. In <strong>der</strong> Messung<br />
wurde deutlich, dass die <strong>am</strong> <strong>Laser</strong> vorhandene Diagnostik zur Messung <strong>der</strong> Pulsfrontverkippung<br />
und die Präzision, mit <strong>der</strong> die Kompressorgitter justiert werden können, für die<br />
dN/dE / a.u.<br />
1<br />
0.5<br />
0<br />
40 60 80 100 120<br />
Energie / MeV<br />
1<br />
0.5<br />
0<br />
40 60 80 100 120<br />
Energie / MeV<br />
2<br />
1.5<br />
1<br />
0.5<br />
0<br />
40 60 80 100 120<br />
Energie / MeV<br />
dN/dE / a.u.<br />
1<br />
0.5<br />
0<br />
40 60 80 100 120<br />
Energie / MeV<br />
1<br />
0.5<br />
0<br />
40 60 80 100 120<br />
Energie / MeV<br />
1<br />
0.5<br />
0<br />
40 60 80 100 120<br />
Energie / MeV<br />
Abbildung 5.1.: Ausgewählte Spektren mit einer Peakenergie von 70 MeV ± 10 MeV. Über 10 %<br />
<strong>der</strong> Schüsse zeigen ein Maximum in diesem Bereich. Der Spalt zwischen den<br />
Schirmen im Spektrometer verursacht die fehlenden Werte im Spektrum.<br />
54
5. Zus<strong>am</strong>menfassung<br />
Abbildung 5.2.: Aufeinan<strong>der</strong>folgende Zielschirmbil<strong>der</strong> mit optimierten <strong>Laser</strong>par<strong>am</strong>etern: Der<br />
Bildausschnitt zeigt den ganzen Zielschirm, <strong>der</strong> vertikale Abstand des Punktrasters<br />
entspricht ca. 15 mrad. Der schwarze Punkt dient zur Orientierung im<br />
Bild.<br />
hohen Anfor<strong>der</strong>ungen im Experiment verbessert werden müssen. Eine präzisere Messung<br />
<strong>der</strong> Pulsfrontverkippung wäre zum Beispiel mit <strong>der</strong> von K. Varjú et al. 25 vorgeschlagenen<br />
Methode möglich.<br />
In Abschnitt 4.2 wurde gezeigt, dass für unterschiedliche Energien des <strong>Laser</strong>pulses<br />
eine Verän<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> Elektronendichte im Plasma nötig ist, um ein stabiles Elektronensignal<br />
zu erreichen. Für geringere Pulsenergien muss die Dichte erhöht werden, dabei<br />
nimmt allerdings die Richtungsstabilität <strong>der</strong> Elektronen ab. Diese erreicht bei hohen Pulsenergien<br />
und relativ niedriger Elektronendichte ein Optimum. Gleichzeitig wird auch <strong>der</strong><br />
höchste Anteil an quasimonoenergetischen Spektren beobachtet. Die Eintrittsöffnung des<br />
Spektrometers schneidet einen Teil des Strahlprofils aus. Trifft <strong>der</strong> Hauptteil des Elektronenpakets<br />
die Öffnung nicht, wird nur das Spektrum <strong>der</strong> Elektronen <strong>am</strong> Rand des<br />
Pakets gemessen. Dadurch kommt es zu zusätzlichen Schuss zu Schuss Schwankungen<br />
<strong>der</strong> Spektren. Ist die Elektronendichte geringer als in diesem optimalen Bereich, werden<br />
kaum Elektronen detektiert, bei höheren Dichten wird die Qualität <strong>der</strong> Elektronenpakete<br />
schlechter.<br />
Durch eine Verän<strong>der</strong>ung des Gitterabstands wurde in Abschnitt 4.3 die Pulsdauer des<br />
55
5. Zus<strong>am</strong>menfassung<br />
<strong>Laser</strong>pulses verlängert. Der Gitterabstand wurde in beide Richtungen variiert, was die<br />
Pulsdauer jeweils durch einen positiven und negativen Chirp gleichen Betrags verlängerte.<br />
Mit <strong>der</strong> Dispersion dritter Ordnung, die bei einer Variation des Gitterabstands auch<br />
verän<strong>der</strong>t wird, verän<strong>der</strong>t sich die zeitliche Pulsform. Eine steil ansteigende Flanke sorgt<br />
dabei für einen effizienteren <strong>Beschleunigung</strong>sprozess, eine langs<strong>am</strong> ansteigende und steil<br />
abfallende für einen schlechteren, weshalb vermutlich für längere Pulse von ca. 40 fs mit<br />
positivem Chirp ein besseres Elektronensignal erreicht wurde als mit negativ gechirptem<br />
Puls gleicher Dauer. In einer weiteren Messung könnte untersucht werden, ob auch ein<br />
asymmetrischer <strong>Laser</strong>puls mit möglichst kurzer Dauer die Anregung <strong>der</strong> Plasmawelle<br />
beeinflusst. Über den DAZZLER wäre es möglich, die Phase des Pulses zu kontrollieren,<br />
eine Rekonstruktion <strong>der</strong> Pulsform ist mit Hilfe des optischen Spektrometers und des<br />
SPIDERs möglich.<br />
Mit den in den Messungen optimierten Par<strong>am</strong>etern wurde das stabilste Elektronensignal<br />
<strong>am</strong> <strong>JETI</strong> erreicht, das bisher gemessen werden konnte. In Abbildung 5.2 sind einige<br />
Zielschirmbil<strong>der</strong> aufeinan<strong>der</strong> folgen<strong>der</strong> Schüsse gezeigt, Abbildung 5.1 zeigt einige <strong>der</strong><br />
aufgezeichneten Spektren. Aufgrund <strong>der</strong> Richtungsstabilität, die in dieser Messung erreicht<br />
wurde, kann die Öffnung des Spektrometers verringert und die Energieauflösung<br />
gesteigert werden. Auch für die in <strong>der</strong> Einleitung genannten Anwendungen wie die Erzeugung<br />
von Sekundärstrahlung in Undulatoren ist die verbesserte Richtungsstabilität<br />
von großem Interesse. Die Kontrolle <strong>der</strong> genannten Par<strong>am</strong>eter des <strong>Laser</strong>pulses verbessert<br />
also nicht nur das Elektronensignal, son<strong>der</strong>n ist auch entscheidend für die mögliche<br />
Anwendung <strong>der</strong> Elektronen in weiterführenden Experimenten.<br />
56
Anhang<br />
A. Berechnung des Kippwinkels<br />
Im Experiment wurde die Ablenkung des Strahls δ nach dem Kompressor gemessen, in<br />
den Berechnungen wird allerdings <strong>der</strong> Kippwinkel ɛ x des Gitters in horizontaler Richtung<br />
verwendet. In diesem Abschnitt wird eine Beziehung zwischen den beiden Größen<br />
hergeleitet.<br />
Die beiden Gitter G 1 und G 2 haben die gleiche Gitterkonstante G, die Gitternormalen<br />
(in Abbildung A1 rot) seien parallel. Für die minus erste Beugungsordnung des Gitter<br />
gilt nach 2.8<br />
sin α − sin β = −Gλ (5.1)<br />
mit Einfallswinkel α und Beugungswinkel β.<br />
Das Gitter G 2 wird nun um den Winkel ɛ x gekippt (siehe Abbildung A1a). D<strong>am</strong>it gilt<br />
für den Einfallswinkel β ′ auf das zweite Gitter<br />
β ′ = β + ɛ x<br />
Mit dem Additionstheorem<br />
sin (a ± b) = sin a · cos b ± cos a · sin b (5.2)<br />
kann die Winkelabweichung γ vom ursprünglichen Strahlverlauf über die Gittergleichung<br />
und mit α + γ = α ′ + ɛ x berechnet werden:<br />
sin α ′ = sin (α + γ − ɛ x )<br />
= sin α · cos(γ − ɛ x ) + sin(γ − ɛ x ) · cos α<br />
= −Gλ + sin β ′<br />
= −Gλ + sin β · cos ɛ x + sin ɛ x · cos β<br />
Da die Abweichungen ɛ x , γ, γ ′ und δ sehr klein sind, gilt sin(γ − ɛ x ) ≈ γ − ɛ x und<br />
57
Anhang<br />
(a) erster Durchgang<br />
(b) zweiter Durchgang<br />
Abbildung A1.: (a) zeigt <strong>der</strong> Verlauf des Strahls (Einfallswinkel α, Beugungswinkel β) im optimal<br />
justierten Kompressor (schwarz), bzw. den Strahlverlauf nach dem zweiten<br />
Gitter, wenn dieses um den Winkel ɛ x verkippt ist (grün). Die Gitternormalen<br />
sind rot eingezeichnet. Der Verlauf des Strahl nach <strong>der</strong> Refelxion <strong>am</strong> Spiegel S ist<br />
in (b) blau dargestellt, wobei <strong>der</strong> optimale Strahlverlauf gestrichelt eingezeichnet<br />
ist. Der Strahl ist durch die schlechte Justage im den Winkel δ verkippt, wenn<br />
er den Kompressor verlässt.<br />
cos(γ − ɛ x ) ≈ 1. Mit (5.1) ergibt sich für die Ablenkung γ nach dem zweiten Gitter<br />
(γ − ɛ x ) cos α = ɛ x cos β<br />
o<strong>der</strong><br />
γ = ɛ x<br />
cos α + cos β<br />
cos α<br />
(<br />
= ɛ x 1 + cos β )<br />
cos α<br />
Nach dem ersten Durchgang durch das Gitterpaar wird <strong>der</strong> Strahl <strong>am</strong> Spiegel S reflektiert,<br />
<strong>der</strong> senkrecht auf dem ursprünglichen Strahl steht. Der Einfallswinkel auf dem<br />
Spiegel ist γ. Duch die Reflexion wird <strong>der</strong> Winkel verdoppelt, <strong>der</strong> Winkel zwischen ursprünglichem<br />
(in Abbildung A1b schwarz) und gekipptem Strahl (in Abbildung A1b<br />
blau) ist −γ. Für α ′′ und β ′′ des zweiten Gitters gilt dann<br />
α ′′ = α ′ − 2γ = α − (ɛ x + γ)<br />
β ′′ = β ′ + γ ′ = β + γ ′ + ɛ x<br />
mit <strong>der</strong> Verkippung γ ′ nach dem zweiten Gitter. Diese Werte in die Gittergleichung (5.1)<br />
58
Anhang<br />
eingesetzt<br />
sin α ′′ = sin α − (ɛ x + γ) · cos α<br />
= −Gλ + sin β ′′<br />
= −Gλ + sin (β) + (γ ′ + ɛ x ) · cos β<br />
liefern nach einem Vergleich mit (5.1) für die Verkippung γ ′<br />
⇔<br />
(γ ′ + ɛ x ) · cos β = −(ɛ x + γ) · cos α<br />
γ ′ = − (ɛ x + γ) · cos α + ɛ x · cos β<br />
cos β<br />
Die letzte Beugung <strong>am</strong> ersten Gitter, auf das <strong>der</strong> Strahl mit dem Winkel β ′′′ = β ′′ − ɛ x =<br />
β + γ ′ fällt und unter α ′′′ = α + δ gebeugt wird, liefert dann über<br />
sin α ′′′ = sin (α + δ)<br />
= sin α + δ · cos α<br />
= −Gλ + sin β + γ ′ · cos β<br />
die Verkippung δ des Strahls nach dem Kompressor:<br />
δ = γ ′ · cos β<br />
cos α = − [ɛ x + γ + ɛ x · cos β cos α]<br />
[<br />
= −ɛ x 1 + 1 + cos β<br />
cos α + cos β ]<br />
cos α<br />
(<br />
= −2 · ɛ x 1 + cos β )<br />
cos α<br />
o<strong>der</strong><br />
ɛ x = −<br />
δ<br />
( ) (5.3)<br />
2 1 + cos β<br />
cos α<br />
B. Verkippen des zweiten Gitters<br />
In <strong>der</strong> Veröffentlichung von Pretzler et al. 11 wird das erste Gitter verkippt, in <strong>der</strong> durchgeführten<br />
Messung wird das zweite Gitter verkippt. In diesem Abschnitt wird gezeigt,<br />
dass die Gleichungen dennoch gültig sind.<br />
Wird angenommen, dass im Vergleich zur Rechnung im vorigen Abschnitt in Abbildung<br />
59
Anhang<br />
A1a <strong>der</strong> Strahl vom Spiegel S (grün) wie<strong>der</strong> in sich zurückreflektiert wird, ergibt sich<br />
nach einer Verkippung des zweiten Gitters um den Winkel ɛ x und somit einem neuen<br />
Einfallswinkel β ′ = β + ɛ x<br />
sin β ′ = sin β + ɛ x · cos β = Gλ − sin α ′ . (5.4)<br />
Mit (5.1) und einem weiteren Additionstheorem ergibt sich für die Abweichung <strong>der</strong> beiden<br />
Winkel α und α ′ mit α ≈ α ′<br />
( ) ( )<br />
α + α<br />
sin α − sin α ′ ′ α − α<br />
′<br />
= 2 cos · sin<br />
2<br />
2<br />
≈ 2 · cos α · α − α′<br />
2<br />
= sin β ′ − sin β ≈ ɛ x cos β<br />
und somit die in 11 vorausgesetzte Gleichung<br />
φ = α − α ′ ≈ ɛ x<br />
cos β<br />
cos α . (5.5)<br />
Die Verkippung des Strahls im Kompressor mit verkipptem Gitter ist also unabhängig<br />
davon, welches <strong>der</strong> beiden Gitter gekippt wird, solange die Annahme gilt, dass <strong>der</strong> Spiegel<br />
S noch senkrecht zum Strahl steht.<br />
60
Abbildungsverzeichnis<br />
2.1. CPA-Prinzip mit detaillierter Strecker- und Kompressorskizze . . . . . . . 5<br />
2.2. Verkippung <strong>der</strong> Phasenfronten und Pulsfrontverkippung . . . . . . . . . . 7<br />
2.3. Ausbreitung eines Gauß-Strahls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9<br />
2.4. Relativistische Pulskomprimierung und Selbstfokussierung im Plasma . . . 17<br />
2.5. Skizze des eindimensionalen <strong>Beschleunigung</strong>sprozesses in <strong>der</strong> Plasmawelle 20<br />
2.6. <strong>Beschleunigung</strong>sprozess in <strong>der</strong> Bubble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22<br />
3.1. Schematischer Aufbau des Kompressors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25<br />
3.2. Schematischer Aufbau des interferometrischen Feldkorrelators . . . . . . . 26<br />
3.3. Skizze des Aufbaus in <strong>der</strong> Experimentierk<strong>am</strong>mer . . . . . . . . . . . . . . 27<br />
4.1. Aufnahmen mit dem interferometrischen Feldkorrelator . . . . . . . . . . . 32<br />
4.2. Aufnahmen des fokussierten <strong>Laser</strong>strahls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33<br />
4.3. Richtung <strong>der</strong> Elektronen <strong>am</strong> Zielschirm bei verkippter Pulsfront . . . . . . 36<br />
4.4. Anteil an Schüssen mit rundem o<strong>der</strong> elliptischem Strahlprofil und Richtungstabilität<br />
mit verkippter Pulsfront . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37<br />
4.5. Mittlere Richtung <strong>der</strong> Elektronen mit Divergenz bei verkippter Pulsfront . 38<br />
4.6. Beispielspektren ohne Pulsfrontverkippung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39<br />
4.7. Vergleich von Aufnahmen des Hochenergieschirms mit und ohne Pulsfrontverkippung<br />
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40<br />
4.8. Gemittelte Zielschirmbil<strong>der</strong> für unterschiedliche Pulsenergie und Elektronendichte<br />
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43<br />
4.9. Anteil an Schüssen mit rundem o<strong>der</strong> elliptischem Strahlprofil und Richtungstabilität<br />
bei unterschiedlicher Pulsenergie und Elektronendichte . . . 44<br />
4.10. Gezeigt ist je ein charakteristisches Einzelbild für jeden Messpunkt des<br />
Dichte-Energie-Scans. Die drei Spalten entsprechen <strong>der</strong> Pulsenergie E t <strong>am</strong><br />
Target, die Zeilen sind aufsteigend nach <strong>der</strong> Elektronendichte n e angeordnet. 45<br />
4.11. vier Beispielspektren mit unterschiedlichem Verlauf . . . . . . . . . . . . . 47<br />
4.12. Anteil an Spektren mit bestimmten Kriterien . . . . . . . . . . . . . . . . 48<br />
61
Abbildungsverzeichnis<br />
4.13. Anteil an Schüssen mit rundem o<strong>der</strong> elliptischem Strahlprofil und Richtungstabilität<br />
bei Variation <strong>der</strong> Pulsdauer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50<br />
4.14. Gemittelte Zielschirmbil<strong>der</strong> für unterschiedliche Pulsdauer. Die Pulsdauer<br />
wird durch Verän<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> Dispersion zweiter Ordnung variiert. . . . . . 51<br />
5.1. Spektren aufeinan<strong>der</strong>folgen<strong>der</strong> Schüsse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54<br />
5.2. Zielschirmbil<strong>der</strong> aufeinan<strong>der</strong>folgen<strong>der</strong> Schüsse . . . . . . . . . . . . . . . . 55<br />
A1. Strahlverlauf in Kompressor mit verkipptem Gitter . . . . . . . . . . . . . 58<br />
62
Literaturverzeichnis<br />
[1] T. Tajima und J. M. Dawson: <strong>Laser</strong> Electron-Accelerator, Physical Review Letters<br />
43 (4), S. 267–270, 1979<br />
[2] D. Strickland und G. Mourou: Compression Of Amplified Chirped Optical Pulses,<br />
Optics Communications 56 (3), S. 219–221, 1985<br />
[3] A. Pukhov und J. Meyer-ter Vehn: <strong>Laser</strong> wake field acceleration: the highly non-linear<br />
broken-wave regime, Applied Physics B-<strong>Laser</strong>s And Optics 74 (4-5), S. 355–361, 2002<br />
[4] F. Gruner, S. Becker, U. Schr<strong>am</strong>m, M. Fuchs, R. Weingartner, D. Habs, J. Meyer-<br />
Ter-Vehn, M. Geissler, M. Ferrario, L. Serafini, B. Van Der Geer, H. Backe, W. Lauth<br />
und S. Reiche: Design consi<strong>der</strong>ations for table-top, laser-based VUV and X-ray free<br />
electron lasers, Applied Physics B-lasers and Optics 86 (3), S. 431–435, 2007<br />
[5] S. P. D. Mangles, C. D. Murphy, Z. Najmudin, A. G. R. Thomas, J. L. Collier, A. E.<br />
Dangor, E. J. Divall, P. S. Foster, J. G. Gallacher, C. J. Hooker, D. A. Jaroszynski,<br />
A. J. Langley, W. B. Mori, P. A. Norreys, F. S. Tsung, R. Viskup, B. R. Walton<br />
und K. Krushelnick: Monoenergetic be<strong>am</strong>s of relativistic electrons from intense laserplasma<br />
interactions, Nature 431 (7008), S. 535–538, 2004<br />
[6] C. G. R. Geddes, C. Toth, J. van Tilborg, E. Esarey, C. B. Schroe<strong>der</strong>, D. Bruhwiler,<br />
C. Nieter, J. Cary und W. P. Leemans: High-quality electron be<strong>am</strong>s from a laser<br />
wakefield accelerator using plasma-channel guiding, Nature 431 (7008), S. 538–541,<br />
2004<br />
[7] J. Faure, Y. Glinec, A. Pukhov, S. Kiselev, S. Gordienko, E. Lefebvre, J. P. Rousseau,<br />
F. Burgy und V. Malka: A laser-plasma accelerator producing monoenergetic electron<br />
be<strong>am</strong>s, Nature 431 (7008), S. 541–544, 2004<br />
[8] W. P. Leemans, B. Nagler, A. J. Gonsalves, C. Toth, K. Nak<strong>am</strong>ura, C. G. R. Geddes,<br />
E. Esarey, C. B. Schroe<strong>der</strong> und S. M. Hooker: GeV electron be<strong>am</strong>s from a centimetrescale<br />
accelerator, Nature Physics 2 (10), S. 696–699, 2006<br />
63
Literaturverzeichnis<br />
[9] A. E. Siegman: <strong>Laser</strong>s, Univ. Science Books, 1986<br />
[10] B. S. M. Teich: Fund<strong>am</strong>entals of Photonics, Wiley, 2007<br />
[11] G. Pretzler, A. Kasper und K. J. Witte: Angular chirp and tilted light pulses in CPA<br />
lasers, Applied Physics B-lasers and Optics 70 (1), S. 1–9, 2000<br />
[12] F. F. Chen: Introducion To Plasma Physics And Controlled Fusion, Plenum Press,<br />
1984<br />
[13] J. Bittencourt: Fund<strong>am</strong>entals of Plasma Physics, Springer, 2004<br />
[14] M. Kaluza: Vorlesungsskript "High Intensity/ Relativistic Optics", 2009<br />
[15] S. Kneip: <strong>Laser</strong> Plasma Accelerator and Wiggler, Dissertation, Imperial College London,<br />
2010<br />
[16] S. Mangles: Measurements of Relativistic Electrons from Intense <strong>Laser</strong>-Plasma Interactions,<br />
Dissertation, Imperial College London, 2005<br />
[17] E. Esarey, A. Ting und P. Sprangle: Frequency-shifts Induced In <strong>Laser</strong>-pulses By<br />
Plasma-waves, Physical Review A 42 (6), S. 3526–3531, 1990<br />
[18] E. Esarey, C. B. Schroe<strong>der</strong> und W. P. Leemans: Physics of laser-driven plasma-based<br />
electron accelerators, Reviews Of Mo<strong>der</strong>n Physics 81 (3), S. 1229–1285, 2009<br />
[19] M. Nicolai: Bau und Charakterisierung einer Plasma-Kapillare für<br />
Hochintensitätslaser-Plasma-Experimente, Diplomarbeit, Friedrich-Schiller-<br />
Universität Jena, 2008<br />
[20] A. I. Akhiezer und R. V. Polovin: Theory of Wave Motion of An Electron Plasma,<br />
Soviet Physics Jetp-ussr 3 (5), S. 696–705, 1956<br />
[21] B. Hidding, K. U. Amthor, B. Liesfeld, H. Schwoerer, S. Karsch, M. Geissler, L. Veisz,<br />
K. Schmid, J. G. Gallacher, S. P. J<strong>am</strong>ison, D. Jaroszynski, G. Pretzler und R. Sauerbrey:<br />
Generation of quasimonoenergetic electron bunches with 80-fs laser pulses,<br />
Physical Review Letters 96 (10), S. 105004, 2006<br />
[22] Z. L. Horvath, K. Osvay und Z. Bor: Dispersed Femtosecond Pulses In the Vicinity<br />
of Focus, Optics Communications 111 (5-6), S. 478–482, 1994<br />
64
Literaturverzeichnis<br />
[23] A. Popp, J. Vierira, J. Osterhof, Z. Major, R. Hoerlein, M. Fuchs, R. Weingartner,<br />
T. P. Rowlands-Rees, M. Martin, R. Fonseca, S. Martins, L. O. Silva, S. M. Hooker,<br />
F. Krausz, F. Gruener und S. Karsch: All-Optical Steering of <strong>Laser</strong>-<strong>Wakefield</strong>-<br />
Accelerated Electron Be<strong>am</strong>s, Physical Review Letters 105, S. 215001, 2010<br />
[24] W. P. Leemans, P. Catravas, E. Esarey, C. G. R. Geddes, C. Toth, R. Trines, C. B.<br />
Schroe<strong>der</strong>, B. A. Shadwick, J. van Tilborg und J. Faure: Electron-yield enhancement<br />
in a laser-wakefield accelerator driven by asymmetric laser pulses, Physical Review<br />
Letters 89 (17), S. 174802, 2002<br />
[25] K. Varju, A. P. Kovacs, G. Kurdi und K. Osvay: High-precision measurement of<br />
angular dispersion in a CPA laser, Applied Physics B-lasers and Optics 74, S. S259–<br />
S263, 2002<br />
[26] U. Keller: Vorlesungsskript "Kurzzeit-<strong>Laser</strong>physik", ETH Zürich, 1996<br />
[27] C. Palmer und E. Loewen: Diffraction Grating Handbook, Newport, 2005<br />
65
Danksagung<br />
An dieser Stelle möchte ich allen danken, die mich während des letzten Jahres unterstützt und<br />
somit zum Gelingen <strong>der</strong> Diplomarbeit beigetragen haben. Mein beson<strong>der</strong>er Dank gilt<br />
• Prof. Malte C. Kaluza für die Vergabe des Themas und die Betreuung während <strong>der</strong> Zeit.<br />
Seine Tür stand immer offen, wenn theoretische o<strong>der</strong> praktische Fragen auftauchten. Auch<br />
wenn nicht alles nach Plan verlaufen ist, hat mir die Arbeit bei ihm Spass gemacht und<br />
mein Interesse an <strong>der</strong> relativistischen Plasmaphysik geweckt.<br />
• Maria Nicolai für das schöne Jahr, alle Geduld, ein offenes Ohr bei allen Fragen und Sorgen<br />
und noch für vieles, vieles mehr, was hier nicht aufgezählt werden kann...<br />
• Burgard Beleites und Falk Ronneberger für die Pflege des „kleinen Sorgenkinds“. Trotz<br />
manch technischer Probleme haben sie die Hoffnung nicht aufgegeben und nichts unversucht<br />
gelassen, sodass unsere Experimente schließlich doch noch erfolgreich waren. Anrufe<br />
zu allen Zeiten und selbst abendliche Besuche waren in manchen Wochen nicht selten.<br />
• Wolfgang Ziegler für die schnelle und unkomplizierte Hilfe mit Konstruktionen und mit<br />
vielen, vielen kleinen Dingen, die schnell noch gebraucht wurden.<br />
• Alexan<strong>der</strong> Sävert, Maria Reuter, Michael Schnell, Jens Polz und Oliver Jäckel für die gemeins<strong>am</strong>e<br />
Zeit im Labor, viele hilfreiche Kommentare und Diskussionen und die praktische<br />
Hilfe bei verschiedensten Dingen.<br />
• Axel Bernhard für die lehrreiche und konstruktive Kritik bei <strong>der</strong> Korrektur <strong>der</strong> Diplomarbeit,<br />
die vielen hilfreichen Kommentare und die <strong>am</strong>üsanten Gespräche dabei.<br />
• meinen Freunden und Geschwistern im Glauben für alle aufbauenden Worte und Kritik<br />
während <strong>der</strong> Zeit.<br />
• meinen Eltern und Geschwistern für die Unterstützung und den Rückhalt während des<br />
vergangenen Jahres und des ges<strong>am</strong>ten Studiums.<br />
• Joachim Niess für seine endlose Geduld, die aufbauenden Worte und dafür, dass er einfach<br />
immer da war, wenn er gebraucht wurde.<br />
Soli Deo Gloria<br />
66
Erklärung<br />
Ich erkläre, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig verfasst und keine an<strong>der</strong>en als die<br />
angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe.<br />
Jena, den 21. Dezember 2010<br />
Christina Widmann<br />
Seitens <strong>der</strong> Verfasserin bestehen keine Einwände, die vorliegende Diplomarbeit für die öffentliche<br />
Nutzung in <strong>der</strong> Thüringer Universitäts- und Landesbibliothek zur Verfügung zu stellen.<br />
Jena, den 21. Dezember 2010<br />
Christina Widmann<br />
67