Ultrashort laser pulse interaction with overdense plasmas [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Mirela Cerchez

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Description

Ultrashort laser pulse interaction withoverdense plasmasInaugural-Dissertationzur Erlangung des Doktorgradesder Mathematisch-Naturwissenschaftichen Fakultätder Heinrich-Heine-Universität Düsseldorfvorgelegt vonMirela Cerchezaus Tecuci (RO)Düsseldorf, Dezember 2008Aus dem Institut für Laser- und Plasmaphysikder Heinrich-Heine-Universität DüsseldorfGedruckt mit der Genehmigung derMathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät derHeinrich-Heine-Universität Düsseldorf1. Gutachter: Prof. Dr. O. Willi2. Gutachter: Prof. Dr. A. PukhovTag der mündlichen Prüfung: 30.01.2009AbstractWith the recent developments of intense, ultrashort laser pulses rapidly heatedmatter under extreme conditions can now be produced and investigated. Theseinteraction processes are characterized by unique properties as the laser energy isabsorbed on a femtosecond time scale before significant hydrodynamic expansion ofthe plasma can occur. Hence the laser energy is transferred to matter at densitiesclose to solid. In this thesis, experimental studies concentrated on investigationsof the physical properties of overdense plasmas characterized by steep density gra-dients. High-contrast, few-cycle laser pulses were focused onto solid target up to16 2an average intensity of ≈ 5× 10 W/cm . The fundamental process of the laserenergy transfer was studied using laser absorption measurements and XUV plasmaspectroscopy.

Sujets

• Physik

Informations

• Publié par: heinrich-heine-universitat_dusseldorf
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 33
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

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GedrucktmitderGenehmigungder
henhaftlich-NaturwissenscMathematiscDüsseldorfersitäth-Heine-UnivHeinric

1.Gutachter:Prof.Dr.O.Willi

2.Gutachter:Prof.Dr.A.Pukhov

Fakultät

TagdermündlichenPrüfung:30.01.2009

der

AbstractWiththerecentdevelopmentsofintense,ultrashortlaserpulsesrapidlyheated
matterunderextremeconditionscannowbeproducedandinvestigated.These
interactionprocessesarecharacterizedbyuniquepropertiesasthelaserenergyis
absorbedonafemtosecondtimescalebeforesignificanthydrodynamicexpansionof
theplasmacanoccur.Hencethelaserenergyistransferredtomatteratdensities
closetosolid.Inthisthesis,experimentalstudiesconcentratedoninvestigations
ofthephysicalpropertiesofoverdenseplasmascharacterizedbysteepdensitygra-
dients.High-contrast,few-cyclelaserpulseswerefocusedontosolidtargetupto
anaverageintensityof≈5×1016W/cm2.Thefundamentalprocessofthelaser
energytransferwasstudiedusinglaserabsorptionmeasurementsandXUVplasma
.yectroscopspTheexperimentalinvestigationsofthelaserenergyabsorptionbysolidtargets
representedanextensivestudy.Differentphysicalparametersincludinglaserinten-
sityandpolarization,incidenceangleandtargettype(conductorordielectric)were
studied.Theexperimentalresultsprovedthattheenergyoftheseultra-shortlaser
pulsescanbeefficientlyabsorbedupto≈77%byaplasmacharacterizedbyavery
steepprofile.Thelevelofabsorptionofthep-polarizedlaserpulsessignificantlyex-
ceedsthes-polarizationabsorption.Theexperimentalresultswerecomparedwith
Particle-in-Cellsimulationsperformedin2-Dgeometry.Thesimulationresultsin-
dicatethatthepreponderanceofthep-polarizationabsorptionons-polarization
foundinourexperimentsisofcollisionlessnature.Agoodagreementwiththeex-
perimentwasfoundforsteepplasmaprofileswithadensityscalelengthof≈1%of
thelaserwavelength.
Spectroscopicinvestigationsofplasmasgeneratedbyultrashortlaserpulseson
lowZmassiveandcoatedtargetswereperformed.Ahighresolutionspectrometer
wasbuiltduringthisworkinordertorecordthetime-integratedK-shellemission.
Fortheinvestigatedmaterials(LiF,BN)specificeffectsofhighdensityplasmas
likeserieslimitoftheH-likeionsandsatelliteslineswereidentifiedinthespectra.
Thelackofthehigherserieslineswasexplainedbypressureionization.Hydrody-
namicsimulationscombinedwithatomiccalculationsreproducedthetimeintegrated
spectraandindicatethattheplasmaemissionpreponderantlyoriginatedfromhigh
densitiesclosetosolidinagreementwiththeabsorptionmeasurements.

ZusammenfassungDurchjüngsteEntwicklungenintensiver,ultrakurzerLaserpulsekannnunschnell
erhitzteMaterieunterextremenBedingungenerzeugtunduntersuchtwerden.Die
zugrundeliegendenInteraktionsprozessesinddurchbesondereEigenschaftencharak-
terisiert,dadieLaserenergieaufeinerFemtosekunden-Zeitskalaabsorbiertwird,
bevorsignifikanthydrodynamischeExpansiondesPlasmasauftretenkann.Demzu-
folgewirddieLaserenergieaufMateriemitnahezuFestkörperdichtetransferiert.
IndieserArbeitkonzentrierensichdieexperimentellenStudienaufdieErforschung
derphysikalischenEigenschaftenüberdichterPlasmen,welchedurcheinensteilen
Dichtegradientencharakterisiertsind.HochkontrastigeLaserpulsemitwenigenop-
tischenZyklenwurdenaufFestkörpertargetsfokussiert,wasdurchschnittlicheIn-
tensitätenvon≈5×1016W/cm2erzielte.DiezugrundeliegendenProzessedes
TransfersderLaserenergiewurdenüberLaser-AbsorptionsmessungenundXUV-
studiert.opieektroskPlasmaspAusführlicheexperimentelleUntersuchungenderLaser-Energieabsorptionvon
Festkörpertargetssinddurchgeführtworden.VerschiedenphysikalischeParame-
tereinschließlichderLaserintensitätundPolarisation,demEinfallswinkelundder
BeschaffenheitdesTargets(leitendbzw.dielektrisch)wurdenuntersucht.Dieex-
perimentellenErgebnissebelegen,dassdieEnergiedieserultrakurzenLaserpulse
effizientbiszu≈77%voneinemPlasmaabsorbiertwerdenkann,welcheseinsehr
steilesProfilaufweist.DerGradderAbsorptionvonp-polarisiertenLaserpulsen
übersteigtdenderAbsorptionbeis-Polarisationdabeisignifikant.DieErgebnisse
wurdenmitParticle-in-CellSimulationenverglichen,welcheineiner2-D-Geometrie
durchgeführtwurden.DieErgebnissederSimulationenzeigenauf,dassdasÜber-
wiegenderAbsorptionbeip-Polarisationgegenüberderbeis-Polarisation,wiesie
indenExperimentenbeobachtetwurde,vonkollisionsfreierNaturist.Einegute
ÜbereinstimmungmitdenExperimentenwurdefürsteilePlasmaprofilemiteiner
Dichte-Skalenlängevon≈1%derLaserwellenlängegefunden.
SpektroskopischeUntersuchungenvonPlasmen,dieunterEinfallultrakurzer
LaserpulseaufreineundbeschichteteNieder-Z-Targetsgeneriertwurden,sinddurchge-
führtworden.EinhochauflösendesSpektrometerwurdeimRahmendieserArbeit
gebaut,umzeitintegrierteK-Schalen-Emissiondetektierenzukönnen.Fürdieun-
tersuchtenMaterialien(LiF,BN)wurdenspezifischeEffektevonPlasmenhoher
Dichte,wiedieLiniengrenzewasserstoffartigerIonenundSatellitenindenSpektren
identifiziert.DasFehlenvonhöherenLinienderSeriewurdedurchDruckionisation
erklärt.HydrodynamischeSimulationeninKombinationmitatomarenBerechnun-
genreproduziertendiezeitintegriertenSpektrenundzeigenauf,dassdiePlasmae-
missionüberwiegendvonhohenDichtennahederFestkörperdichteherrührt,wasin
ÜbereinstimmungmitdenAbsorptionsmessungensteht.

tenConts

ductiontronI1

2Laserpulseinteractionwithsolidmatter
2.1Laserproducedplasma-mainphysicalparameters..........
2.2Dynamicsofafreeelectroninanon-relativisticlaserfield.......

1

7811

3Physicalprocessesinlaser-overdenseplasmainteraction15
3.1Solidsurfaceheating,vaporizationandablation............16
3.2Ionizationprocessesinoverdenseplasmas................20
3.3Absorptionoflaserradiationbyplasmas................25
3.3.1Collisionalheating........................26
3.3.2Collisionlessabsorption......................31
3.3.3Ultrashorthighintensitylaserpulsesandoverdenseplasmas.39
3.4Atomicphysicsindenseplasmas.....................40
3.4.1Atomicprocesses.........................41
3.4.2Atomiceffectsinhighdensityplasmas.............43
3.4.3Thermodynamicequilibriumindenseplasmas.........45

4Laserset-upandplasmadiagnostics
4.1Sub-10fslaserpulse...........................
4.1.1TheGW-lasersystem......................
4.1.2Spatialandtemporalcharacteristicsoflaserfocus.......
4.2Experimentalset-upfortheabsorptionmeasurements.........
4.2.1Integratingsphereanddetectors.................
4.2.2Datarecordingprocedure....................
4.3HighresolutionXUVspectrometer...................

i

4905054516263666

CONTENTS

5Absorptionmeasurementsandnumericalsimulations71
5.1Dependenceoftheabsorbedenergyfractiononphysicalparameters.72
5.2Angularandpolarizationdependence..................73
5.2.1Experimentalresults.......................73
5.2.2Simulationsresultsfortheangulardependenceofthecolli-
sionlessabsorptionprocess....................73
5.3Absorbedfractionvslaserintensity...................79
5.3.1Experimentalresults.......................79
5.3.2Simulationresultsofthecollisionlessabsorptionvslaserin-
tensity...............................81
5.4Interpretationofcollisionlessabsorptionofsub-10fs..........82
5.5Collisionalabsorptioninoverdenseplasmaswithsteepprofiles....86
5.6Targetsurfacequalityanditsinfluenceonthelaserabsorptionprocess88

6SoftX-rayemissionofdenseplasmas
6.1Emissionspectraoflow-ZbulktargetsinXUVrange.........
6.1.1Experimentaltimeintegratedspectra..............
6.1.2InterpretationofthedenseplasmaXUVemission.......
6.2XUVemissionspectraofcoatedtargets.................

andSummary7okOutlo

orksWPublished8

endixAppA.Reflectioncoefficients.Fresnelequations.................
B.Numericalmethodsinmodelinglaser-plasmainteraction.........
B.1Kineticcodes.ThePICPlasmaSimulationCode(PSC).....
B.2Hydrodynamiccodes.MULTI-fscode...............
B.3Atomicphysicscode-FLY.....................

yBibliograph

ii

95696989501

111

117

119119521521921131

133

1Chapter

ductiontroIn

Thesubjectofthisthesisistheinteractionofultra-short,few-cycleslaserpulses
withsolidmatter.Theworkwasaimedtoproduceandcharacterizedenseplasmas
andtoinvestigatethelaserenergytransfertomatterfoundatdensitiesclosetothe
solid.Theexperimentalinvestigationswereperformedinanewinteractionregime
benefitingfromlaserparametersofhighcontrastandveryshortpulseduration.
Thephysicsoflaser-matterinteractionisoneoftheimportanttopicsofmodern
physicsbythemultipleopenedresearchfields.Earlyafterlaserinventionin1960
[3],theinteractionoftheelectromagneticlaserradiationwithmatterstartstoexert
alargeinterestfortheunderstandingofthephysicalprocesseswhichaccompany
it.Theinteractionregimechangedrapidlyovertheyearswithconstantlyincreas-
inglaserintensity.Newopportunitiesforstudyingthehighenergylaser-plasma
interactionregimeshavebeenopenedbytheinventionin1985ofchirpedpulseam-
plification(CPA)technique[117].Thisrevolutionaryamplifica