Laser plasma interaction with ultra-short laser pulses [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Ralph Jung

Laser-plasma interaction with ultra-shortlaser pulsesInaugural-DissertationzurErlangung des Doktorgrades derMathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult¨atder Heinrich-Heine-Universit¨at Dusseldo¨ rfvorgelegt vonRalph Jungaus WermelskirchenMai 2007Aus dem Institut fur¨ Laser- und Plasmaphysikder Heinrich-Heine-Universit¨ at Dusseldorf¨Gedruckt mit Genehmigung derMathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult¨ at derHeinrich-Heine-Universit¨ at Dusseldorf.¨Referent: Prof. Dr. O. WilliKoreferenten: Prof. Dr. K.-H. SpatschekProf. Dr. H. RuhlTag der mundlic¨ hen Prufung:¨ 16. November 2007iZusammenfassungMit der Erfindung der Chirped Pulse Amplification (CPA) Technik im Jahre 1985wurde es m¨oglich, die Intensit¨ at ultra-kurzer Laserpulse extrem zu steigern. Sostehen heutzutage an internationalen Groß-Laboratorien bereits Laser mit Leis-tungen von Petawatt zur Verfugung.¨ An Universit¨ aten k¨ onnen ultra-kurze Pulsevon nur wenigen Schwingungen des optischen Feldes mit Hilfe kompakter ”Table-Top”-Systeme auf mehrere zehn Gigawatt verst¨ arkt werden. Diese Pulse bietenideale Bedingungen fur¨ die Untersuchung ultra-schneller Prozesse.In dieser Arbeit wurde ein Puls mit einer L¨ ange von unter 10 fs in einen Gas-jet unter hohem Druck fokussiert. Im Fokus wurden Intensit¨ aten von ub¨ er21610 W/cm erreicht. Hierbei kommt es zur Feldionisation des Materials.
Publié le : lundi 1 janvier 2007
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Laser-plasma interaction with ultra-short
laser pulses
Inaugural-Dissertation
zur
Erlangung des Doktorgrades der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult¨at
der Heinrich-Heine-Universit¨at Dusseldo¨ rf
vorgelegt von
Ralph Jung
aus Wermelskirchen
Mai 2007Aus dem Institut fur¨ Laser- und Plasmaphysik
der Heinrich-Heine-Universit¨ at Dusseldorf¨
Gedruckt mit Genehmigung der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult¨ at der
Heinrich-Heine-Universit¨ at Dusseldorf.¨
Referent: Prof. Dr. O. Willi
Koreferenten: Prof. Dr. K.-H. Spatschek
Prof. Dr. H. Ruhl
Tag der mundlic¨ hen Prufung:¨ 16. November 2007i
Zusammenfassung
Mit der Erfindung der Chirped Pulse Amplification (CPA) Technik im Jahre 1985
wurde es m¨oglich, die Intensit¨ at ultra-kurzer Laserpulse extrem zu steigern. So
stehen heutzutage an internationalen Groß-Laboratorien bereits Laser mit Leis-
tungen von Petawatt zur Verfugung.¨ An Universit¨ aten k¨ onnen ultra-kurze Pulse
von nur wenigen Schwingungen des optischen Feldes mit Hilfe kompakter ”Table-
Top”-Systeme auf mehrere zehn Gigawatt verst¨ arkt werden. Diese Pulse bieten
ideale Bedingungen fur¨ die Untersuchung ultra-schneller Prozesse.
In dieser Arbeit wurde ein Puls mit einer L¨ ange von unter 10 fs in einen Gas-
jet unter hohem Druck fokussiert. Im Fokus wurden Intensit¨ aten von ub¨ er
2
1610 W/cm erreicht. Hierbei kommt es zur Feldionisation des Materials. In
einem ”Pump-Probe”-Experiment wurde die vom Laser induzierte Ionisations-
front und der entstehende Plasmakanal mittels Schattenbildern und Interferome-
trie untersucht. Erstmals konnte das Voranschreiten der Front und die Entste-
hung des Kanals optisch mit einer Genauigkeit von weniger als 10 fs aufgel¨ ost
¨werden. Die Resultate stehen in hervorragender Ubereinstimmung mit dreidi-
mensionalen, numerischen Particle-In-Cell (PIC) Simulationen.
In einer weiteren Messung wurde die Propagation und Filamentierung eines
Laser-produzierten Elektronenstrahls durch ein ub¨ erkritisches Plasma untersucht.
In diesem Experiment, ausgefuhrt¨ am VULCAN Petawatt Laser des Ruther-
2
20ford Appleton Laboratoriums (UK), standen Intensit¨ aten von 5· 10 W/cm zur
Verfugung.¨ Im Fokus des Lasers wurden Elektronen auf Energien von mehreren
MeV beschleunigt. Der entstehende Elektronenstrahl propagierte daraufhin durch
ein Plasma ub¨ er eine L¨ ange von mehreren hundert Mikrometern. Die Struktur
des Strahls wurde anhand des an der Ruc¨ kseite des verwendeten Targets emit-
tierten Lichts beobachtet. Hierbei konnte gezeigt werden, dass der Strahl stark
filamentiert. Die beobachtete ringf¨ ormige Anordnung der Filamente wurde mit
Hilfe von 3D Particle-In-Cell Simulationen best¨ atigt.iii
Abstract
With the invention of the Chirped Pulse Amplification (CPA) technique in 1985, it
became possible to amplify ultra-short laser pulses to high intensities. Nowadays,
at international laboratories lasers are available that produce pulses of petawatt
power. On an university’s scale, however, ultra-short pulses containing just a
few optical cycles can routinely be amplified to several tens of Gigawatt using
compact ”table-top” systems. These pulses provide ideal conditions for the study
of ultra-fast processes. In this thesis, laser pulses of sub-10-fs in duration were
2
16focused into a gas jet of high pressure. In the focus, intensities above 10 W/cm
have been achieved. This leads to optical field-ionization of the material. In a
”pump-probe” experiment, the ionization front and the plasma channel gener-
ated were studied by optical shadowgraphy and interferometry. For the first time
the propagation of the front and the channel evolution has been resolved opti-
cally with sub-10-fs time resolution. The results are in excellent agreement with
three-dimensional Particle-In-Cell numerical simulations.
In another measurement, the propagation and filamentation of a laser-pro-
duced electron beam through an over-dense plasma were studied. In this exper-
iment, conducted at the VULCAN Petawatt laser at the Rutherford Appleton
2
20Laboratory (UK), intensities of 5· 10 W/cm were obtained. In the focus of the
laser, electrons have been accelerated to energies of several MeV. The electron
beam generated propagated through a plasma of several hundreds of microns in
length. The structure of the beam was observed by imaging the light produced
at the rear side of the target. It has been found that the beam undergoes strong
filamentation. Particularly a ring-like structure has been observed which has also
been found in 3D Particle-In-Cell simulations.Diese Arbeit wurde gef¨ ordert durch die
Grunderstiftung¨ zur Forderung¨ von Forschung und wissenschaftlichem
Nachwuchs an der Heinrich-Heine-Universit¨ at Dusseldorf¨
(D¨ usseldorf Entrepreneurs Foundation )v
Contents
1 Introduction 1
2 Interaction of strong laser pulses with matter 9
2.1 Ionizationproceses.......................... 10
2.2 The non-relativistic ponderomotive potential and force . . . . . . 16
2.3 Relativistic motion of a free electron in an em-wave . . . . . . . . 19
2.4 The ponderomotive force in the relativistic regime . . . . . . . . . 22
3 Laser-induced plasma processes 25
3.1 Laserabsorptionandheatingproceses............... 26
3.2 The Alfv´enlimit ........................... 34
3.3 Weibel Instability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4 Optical diagnostic 39
4.1 Optical diagnostic for the study of electron beam filamentation in
over-denseplasma........................... 40
4.2 Optical diagnostic for the study of ionization front propagation in
gaseoustargets. 46
5 Laser gas target development 59
5.1 Thegastargetdesign......................... 60
5.2 Optimizationofgasflow....................... 64
5.3 Optimizationoftimeresponse.................... 68
6 Ionization dynamics of sub-10-fs pulse in gases 73
6.1 Giga-Wattsub-10-fslasersystem.................. 74
6.2 Experimentalset-up 79
6.3 Opticalprobingofplasmachannelformation............ 83
6.4 Numericalsimulations........................1047 Electron beam filamentation in over-dense plasmas 121
7.1 TheVulcanPetawatlasersystem..................123
7.2 Experimentalset-up .........................127
7.3 Descriptionofmultilayeredlasertarget...............127
7.4 Dataobtained.............................130
7.5 Interpretationofexperimentaldata.................136
7.6 3D-PIC simulations of current filamentation . . . . . . . . . . . . 138
8 Summary and Outlook 141
Literature 149
Appendix i
A: Laser Pulse Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
B:TableofBSI-predictedionizationthresholds ............. xi
List of publications xv

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