Experimental demonstration of superradiant amplification of ultra-short laser pulses in a plasma [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Matthias Dreher

Dreher, Adolf Matthias

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• Publié le: 01 janvier 2004
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Extrait

Experimental Demonstration of
Superradiant Ampli cation of
Ultra-Short Laser Pulses in a Plasma
¤ ¤Dissertation der Fakulat fur Physik
der Ludwigs-Maximilian-Universitat¤ Munchen¤
vorgelegt von
Matthias Dreher
aus Singen (Hohentwiel)
Munchen,¤ den 14. Dezember 20041. Gutachter: Prof. Dr. Dieter Habs
2. Prof. Dr. Klaus Witte
Tag der mundlichen¤ Prufung:¤ 3. Februar 2005Abstract
The present work for the rst time demonstrates superradiant ampli cation (SRA) of ultra-
short laser pulses in a plasma [1]. The novel ampli cation scheme has the potential to create
multi-PW, two-cycle light pulses thus surpassing the limits of current laser technology. At
15 2 18 2intensities of 10 W=cm - 10 W=cm , a short signal pulse of 20 - 40 fs duration is directly
ampli ed in a plasma by a counter-propagating, picosecond-long, blue-shifted pump pulse. In
the interaction region, the plasma electrons get trapped in the ponderomotive potential formed
by the interference pattern of the two pulses. The electrons start oscillating along the propaga-
tion axis and are quickly arranged to a transient density grating. The grating re ects a part of
the pump pulse coherently back into the signal pulse. The ongoing oscillations of the electrons
destroy the grating again, which leads to a further shortening of the signal pulse.
In the framework of this thesis, the complete experiment including the diagnostics has been
set up at the MPI fur¤ Quantenoptik using the Advanced Ti:Sapphire Laser (ATLAS) as a source
for the pump and signal pulses. Each of the pulses is focused from opposite directions into a
hydrogen gas jet, which is quickly ionized by the pedestal of the pump pulse. The generation
of the short frequency-shifted signal pulse synchronized to the ATLAS pump pulse proved to
be rather dif cult. Several schemes were too sensitive to short-time variations of the surround-
ing temperature and shot-to-shot energy uctuations of the ATLAS pulses. Therefore, pump
and signal pulses of equal central wavelengths were used in the rst series of measurements.
Numerical simulations had shown that the initial signal pulse launches the generation of a
detuned new pulse by stimulated Raman backscattering, which is rst ampli ed by Raman
ampli cation and later by SRA.
The signal pulse was generated from a small fraction split off from the ATLAS pulse. Spec-
tral broadening in an Argon- lled hollow ber allowed the further compression 23 fs. In rst
experiments, these unshifted signal input pulses were signi cantly ampli ed in energy and
veri ed the generation of a new pulse at the Raman Stokes line showing up in its spectrum.
Evidence for the transition from Raman ampli cation to SRA was concluded from the spectral
broadening around the Stokes line when the duration of the pump pulse and hence the ampli-
cation length was increased. The fully established SRA regime was anticipated for longer
pump pulses. However, these pulses were strongly backscattered by stimulated Brillouin scat-
tering concealing the ampli ed signal and frustrating further improvements. The Brillouin
scattering was resonantly excitated by the undetuned laser pulses.
In the second approach, SRA was observed using the original scheme with a red-shifted
signal pulse. The spectrum was shifted by suppressing short-wavelength components after
the hollow ber. This measure also increased the duration to 80 fs. In the plasma, this pulse
was ampli ed 20 times in energy to about 1 mJ and surpassed the intensity threshold for SRA,
which manifested in the doubling of the spectral bandwidth and the breakup of the signal pulse
into a train of three equidistant 28-fs pulses. The latter nding is a direct consequence of the
ongoing oscillations of the electrons in the ponderomotive potential in case of a long signal
pulse entailing alternately ampli cation and attenuation. The observed pulse durations and dis-
tances agree with the theoretical predictions. Particle-in-Cell simulations of the experiments
reproduce these ndings. Single sub-10-fs pulses and higher ampli cation are anticipated for
shorter and stronger input signal pulses with a higher contrast.
Ampli cation slightly improved the near- and far- eld patterns of the signal pulse proving
that the pulse is spatially ltered by the higher on-axis ampli cation.Kurzfassung
In der vorliegenden Arbeit wurde die superradiante Verstarkung¤ (engl.: superrradiant ampli -
cation, SRA) ultrakurzer Laserimpulser in einem Plasma erstmals verwirklicht [1]. Das neuar-
tige Verstarkungsprinzip¤ hat das Potenzial Multi-PW Laserimpulse mit einer Dauer von zwei
Lichtzyklen zu erzeugen, was jenseits der Moglichk¤ eiten heutiger Lasertechnik liegt. Bei
15 2 18 2Intensitaten¤ von 10 W=cm - 10 W=cm wird ein kurzer Signalimpluls von 20 - 40 fs
in einem Plasma direkt durch einen gegenlau gen¤ langen, blauverschobenen Pumpimpuls
verstarkt.¤ Im Wechselwirkungsbereich werden die Plasmaelektronen im ponderomotorischen
Potenzial eingefangen, das vom Interferenzmuster der beiden Impulse gebildet wird. Die Elek-
tronen schwingen im Potenzial entlang der Propagationsachse der Impulse und werden rasch
zu einem kurzlebigen Dichtegitter angeordnet. Das Gitter re ektiert einen Teil des Pumpim-
pulses koharent¤ zuruck¤ in den Signalimpuls. Die fortschreitende Oszillation der Elektronen
zerstort¤ das Gitter wieder, wodurch der Signalimpuls weiter verkurzt¤ wird.
Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde das gesamte Experiment einschlie lich der Diag-
nostik am MPI fur¤ Quantenoptik aufgebaut. Als Quelle fur¤ die Pump- und Signalimpulse
diente der Advanced Ti:Sapphire Laser (ATLAS). Die Impulse werden aus entgegengesetzen
Richtungen in einen Wasserstoff-Gasstrom fokussiert, der von der Vorder anke des Pumpim-
pulses ionisiert wird. Einen frequenzverschobenen Eingangs-Signalimpuls herzustellen, der
mit dem Pumpimpuls zeitlich synchronisiert ist, erwies sich als schwierig. Mehrere Anord-
nungen waren zu emp ndlich gegenuber¤ Schwankungen der Umgebungstemperatur und der
Energie der ATLAS-Impulse. Fur¤ die ersten Messungen wurden Pump- und Signalimpulse
mit der gleichen Wellenlange¤ benutzt. Numerische Simulationen ergaben, dass der Eingangs-
Signalimpuls in diesem Fall die Erzeugung eines neuen, frequenzverstimmten Impulses durch
Ramanstreuung anregt, der zunachst¤ im Raman- und spater¤ im SRA-Regime verstarkt¤ wird.
Zur Erzeugung des Signalpulses wurde ein kleiner Teil des ATLAS Impulses abgetrennt,
in einer Argon gefullten¤ Hohlfaser spektral verbreitert und anschlie end auf 23 fs komprim-
iert. Erste Experimente zeigten eine deutliche Energieverstarkung¤ und bestatigten¤ die Erzeu-
gung eines neuen Impulses anhand der Raman-Stokes Linie im Spektrum des Ausgangimpuls.
¤Der Ubergang in das SRA Regime deutete sich an durch eine spektrale Verbreiterung um die
Stokes-Linie, wenn die Pumpimpulse und damit die Verstarkungsl¤ ange¤ verlangert¤ wurden.
Jedoch verhinderte das plotzlich¤ Einsetzen von Brillouinstreuung bei noch langeren¤ Pumpim-
pulsen, dass sich SRA beobachten lie . Die wurde resonant von den Pump-
und Signalimpulsen angeregt und uberdeckte¤ das verstarkte¤ Signal.
SRA konnte mit dem ursprunglichen¤ SRA Schema gezeigt werden, das einen rotverscho-
bener Eingangs-Signalimpuls benutzt. Das Spektrum wurde verschoben, indem die kurzwelli-
gen Anteile wegge ltert wurden, was gleichzeitig die Dauer auf 80 fs erhohte.¤ Der Impuls
wurde im Plasma 20fach auf etwa 1 mJ verstarkt.¤ SRA zeigte sich durch die Verdopplung der
spektralen Bandbreite und das Aufbrechen des Signalimpulses in drei 28 fs Impulse mit glei-
chem Abstand. Dies ist eine Folge der fortdauernden Schwingungen der Elektronen im pon-
deromotiven Potenzial, die zu einem periodischen Wechsel von Verstarkung¤ und Abschwa-¤
chung des Signalimpulses fuhren.¤ Die beobachteten Impulsdauern entsprechen den theo-
retisch vorhergesagten Werten. Numerische Simulationen der Experimente bestatigen¤ die
Erklarung.¤ Einzelne Impulse von weniger als 10 fs Dauer konnten¤ erreicht werden, indem
kurzere,¤ stark¤ ere Eingangsimpulse mit einem besseren zeitlichen Kontrast benutzt werden.
Die Verstarkung¤ verbesserte die Nah- und Fernfelder des Signalimpulses, was zeigt, dass
die hohere¤ Verstarkung¤ im Zentrum zu einer raumlichen¤ Filterung fuhrt.¤Contents
1 Introduction: The Quest for Ever Shorter Light Pulses and Higher Intensities 1
2 Superradiant Ampli cation: Theoretical Background 7
2.1 Laser Plasma Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1 Laser-Electron Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.2 The Propagation of Light in a Plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.3 Collective Effects in a Plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.4 Stimulated Raman and Brilliouin Scattering . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 Ampli cation of Laser Pulses in a Plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 Mechanism of Superradiant Ampli cation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.1 Ponderomotive Potential of the Counter-propagating Laser Pulses . . 13
2.3.2 A Single Electron in the Ponderomotive Potential . . . . . . . . . . . 15
2.3.3 Threshold Condition for SR