Laser-Wakefield-Beschleunigung am JETI-Einfluss der ...

2. Grundlagen
nung von Elektronen und Ionen entstehen Felder mit bis zu 100 GV/m. 18 Wird die Kraft
auf die verdrängten Elektronen durch die Felder größer als die ponderomotive Kraft des
Laserpulses oder hat dieser sich schon weiterbewegt, schwingen die Elektronen angezogen
von der Kraft des elektrischen Feldes wieder zurück und oszillieren mit der Plasmafrequenz
ω p .
Der Laserpuls bewegt sich mit der Geschwindigkeit v g im Plasma. Da er die Oszillation
anregt, bewegt sich auch die Dichtemodulation δn e mit derselben Geschwindigkeit.
Aus der stehenden Oszillation der Elektronen wird eine sich mit dem Laserpuls
mitbewegende Plasmawelle. Die Phasengeschwindigkeit der Plasmawelle entspricht der
Gruppengeschwindigkeit v g des Lasers. Damit kann der Plasmawelle die Wellenlänge
zugeordnet werden.
λ p = 2πv g
ω p
(2.52)
Die starken Felder in der Plasmawelle können zur Beschleunigung von Elektronen genutzt
werden. Neben der Möglichkeit, Elektronen aus einer externen Quelle zu injizieren,
was jedoch einen sehr präzisen räumlichen und zeitlichen Überlapp von Elektronenpuls
und Plasmawelle erfordert, können Elektronen aus der Plasmawelle durch Wellenbrechen
in die Felder gebracht und beschleunigt werden. In den folgenden Abschnitten wird dieser
Beschleunigungsprozess näher betrachtet.
Eindimensionale Betrachtung des Beschleunigungsprozesses
In der eindimensionalen Betrachtung können die Elektronen nur in longitudinaler Richtung
schwingen. Für kleine Modulationen der Elektronendichte durch den Laserpuls, d.h.
δn e /n 0 ≪ 1, hat das Elektronendichteprofil n e (z) einen sinusförmigen Verlauf (vergleiche
Abbildung 2.5). Die Elektronen erreichen während der Schwingung relativistische
Geschwindigkeiten. Wird ihre Geschwindigkeit in z-Richtung so hoch, dass sie die Welle
überholen, kommt es zum Wellenbrechen. Die Auslenkung der Elektronen wird dabei
größer als die Plasmawellenlänge. Sie gelangen in die nächste Schwingungsperiode der
Welle, lösen sich aus der Oszillation und werden im elektrischen Feld beschleunigt, indem
sie sozusagen das elektrische Feld herunter „surfen“ und dabei Energie aus der Welle
gewinnen.
Das Profil der Welle verändert sich während des Prozesses. Die zunächst sinusförmige
Welle entwickelt zunehmend starke Spitzen. Beim Wellenbrechen überholen einige
Elektronen die Welle und lösen sich wie bei einer brechenden Wasserwelle aus diesen
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