Forschungsbericht 2011 - Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Starke Laser, schnelle Teilchen

Autoren
Karsch, Stefan
Abteilungen
Attosekundenphysik
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching
Zusammenfassung
Bei der Wechselwirkung von Materie mit extremen Lichtintensitäten, wie sie im Fokus eines Höchstleistungslasers herrschen, treten überraschende Effekte auf. Insbesondere entstehen in Plasmen sehr hohe, im Vergleich zu der primären Lichtschwingung langlebige Felder, die sich zur kollektiven Beschleunigung von Teilchenpaketen nutzen lassen. Die damit erzeugten Teilchenstrahlen zeigen bisher unerreichte Eigenschaften, die sie als ideale Treiber für neue, ultrakurze Röntgenpulse erscheinen lassen. Die hohen Anforderungen an die Laserpulse motivieren auch die Weiterentwicklung der Lasertechnologie.

Einleitung

Kompakte und kostengünstige brillante Strahlungs- und Teilchenquellen könnten in Forschung und Technologie viele neue Anwendungen ermöglichen. Das Herzstück aller bisherigen derartigen Quellen bildet ein Teilchenbeschleuniger, der geladene Teilchen in einem Vakuumgefäß mittels elektrischer Felder beschleunigt. Diese sind jedoch in ihrer Stärke durch Feldionisation der Gefäßoberflächen begrenzt. Aus diesem Grund werden diese Anlagen zum einen sehr groß und teuer gebaut, zum andern ist die zeitliche und räumliche Fokussierung der Teilchen relativ aufwendig.

Einen Ausweg aus diesem Problem bieten moderne Hochintensitätslaser. Schickt man hochintensive Pulse aus solchen Lasern auf einen Gasstrahl, so entreißen diese den Atomen die Elektronen und es bildet sich ein heißes Plasma aus Ionen und Elektronen. Kollektive Effekte in diesem Plasma formen die elektrischen Felder so um, dass sie ideal für die Beschleunigung von Elektronen sind [1]. Die hier angestrebte Erzeugung und Optimierung von hochrelativistischen Elektronenpaketen soll als Grundlage für einen neuartigen Freie-Elektronen-Laser (FEL) dienen.

Als zweites Standbein dient dabei die Entwicklung von Laserquellen mit immer höheren Spitzenleistungen und besserer Strahlqualität. Dies umfasst den Betrieb und die Weiterentwicklung des State-of-the-Art Lasersystems ATLAS und die Entwicklung des innovativen Petawatt-Field-Synthesizer (PFS) Systems.

Entwicklung neuartiger Höchstleistungslaser

1. Das Petawatt-Field-Synthesizer (PFS) System

Mit der Finanzierung des PFS-Projekts hat die Max-Planck Gesellschaft im Jahr 2005 die Grundlage für die Entwicklung eines neuartigen Lasersystems geschaffen. Ziel ist die Erzeugung von Lichtpulsen mit einer Dauer von nur ca. 5 Femtosekunden (was in etwa 1,5 Lichtschwingungen entspricht und deshalb als few-cycle-Puls bezeichnet wird) und ca. 0,6 Petawatt Spitzenleistung (1 Petawatt = 1000 Terawatt = 1015 Watt). Damit ist eine Spitzenintensität von bis zu 1022 W/cm2 erreichbar. Die extreme Kürze der Pulse verlangt jedoch – im Gegensatz zum allgemeinen Verständnis von Laserlicht als "monochromatischem Licht" – die Verstärkung von Licht mit knapp einer Oktave spektraler Bandbreite, was derzeit von keinem bekanten Lasermaterial erfüllt werden kann. Zur Erreichung dieser Ziele muss deshalb in mehreren Schlüsselbereichen technologisches Neuland betreten werden:

  • Optisch-parametrische Verstärkung (optical parametric amplification, OPA) mit Pikosekunden (ps) – Pulsen [2,3]: Dieses Verfahren stellt aufgrund der erreichbaren Bandbreite gegenwärtig die einzig denkbare Lösung für die direkte Verstärkung von few-cycle-Pulsen mit Energien im Joule-Bereich und darüber dar, wurde jedoch noch nie demonstriert. OPA ist eine Wechselwirkung zwischen drei Lichtpulsen in einem nichtlinearen Kristall. Dabei wird Energie von einem Pumppuls auf den Signalpuls übertragen, und ein dritter "Abfall"-Puls, Idler genannt, erzeugt. Dieser Prozess ist bei hohen Energien bisher nur mit Nanosekundenpulsen erprobt worden.
  • Hochrepetierender Pikosekunden-Pumplaser für OPA [4,5]: Er erzeugt zehn Mal pro Sekunde einen 1-ps Laserpuls bei 515 nm Wellenlänge (grün) und 20 Joule Energie zum Pumpen der OPA-Verstärker. Laser mit vergleichbaren Pulsparametern schaffen derzeit Wiederholraten von ca. 1 Schuss pro 10 Minuten. Der Einsatz neuartiger, Ytterbium-dotierter Lasermaterialien, die sich sehr effizient mit Laserdioden pumpen lassen und die Verstärkung von ps-Pulsen unterstützen, soll hier einen Durchbruch schaffen.
  • OPA verlangt einen perfekten zeitlichen und räumlichen Überlapp des Pump- und Signalstrahls. Aus diesem Grund werden extreme Anforderungen an das sogenannte Frontend gestellt, d. h. den Teil des Lasers, in dem die verschiedenen Signal- und Pumppulse erzeugt und geformt werden [6].
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Blockdiagramm des PFS-Projekts: Klar ersichtlich ist die Gliederung des Lasersystems in die drei Funktionseinheiten Frontend/Pulserzeugung, Pumplaser und OPA-Verstärkerkette. Grün umrahmte Blöcke existieren, rot umrahmte befinden sich in der Entwicklung.

In Abbildung 1 wird anhand eines Blockdiagramms gezeigt, wie die einzelnen Funktionseinheiten des PFS zusammenhängen.

Das Frontend erzeugt aus einem Laser-Oszillator, der bei einer Wellenlänge von 800 nm arbeitet, die Seed-Pulse sowohl für den Pumplaser als auch für die OPA-Kette. Beide werden jeweils über nichtlineare Selbstphasenmodulation spektral verbreitert und in den benötigten Spektralbereich geschoben, d. h. 1030 nm für den Pumplaser und 700-1400 nm für das OPA-Signal.

Gegenwärtig erreicht der Pumplaser eine Energie von ca. 200 Millijoule nach Kompression auf 0,9 ps Pulsdauer im 10 Hz Dauerbetrieb. Diese Werte stellen die derzeit weltweit höchste Spitzenleistung für ein diodengepumptes Yb:YAG Lasersystem dar. Die folgende Verstärkerstufe (H3) hat im Testbetrieb ohne Schäden auch bis zu 1 Joule Pulsenergie erzeugt. Sie wird jedoch gerade umgebaut, um thermische Effekte besser zu kompensieren. Danach sollte die Verstärkerstufe H3 Energien bis zu 2 Joule erreichen können, genug für den Eingang zu H4.

Eine besondere Herausforderung stellt die zeitliche Synchronisation der Pump- und Seed-Pulse im OPCPA-System dar, da beide Strahlwege über mehrere hundert Meter getrennt verlaufen, bevor die Strahlen mit einer zeitlichen Toleranz von nur 100 Femtosekunden (entspricht 30 µm Strahlweg) im OPA-Kristall miteinander in Wechselwirkung treten sollen. Daraus lässt sich eine erforderliche Genauigkeit für Schwankungen der optischen Weglänge von 10-7 ableiten, was hohe Anforderungen an die mechanische Stabilität und die Unterdrückung von Luftturbulenzen stellt.

Nach diesen sich über mehrere Jahre ersteckenden Vorarbeiten ist es 2010 erstmals gelungen, zunächst in einer und danach auch in zwei OPA-Stufen, das grundlegende Konzept – d. h. die optisch prarametrische Verstärkung durch Pumpen mit Pikosekunden-Pulsen – in großen, dünnen Kristallen experimentell zu verifizieren. Damit wurde bewiesen, dass sowohl die für 5 Femtosekundenpulse nötigen Bandbreiten als auch die angepeilten Verstärkungseffizienzen erreicht werden können. In Abbildung 2 ist das Spektrum der verstärkten Seed-Pulse und die daraus abgeleitete spektrale Verstärkung dargestellt, welche sich über einen Bereich von 750-1350 nm und damit über fast eine Oktave erstrecken.

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Links: Eingehendes (blau) und verstärktes (rot) Signal-Spektrum in einer ps-gepumpten OPA-Stufe mit 1,5 mm dickem Lithiumtriborat (LBO) als nichtlinearem Kristall. Rechts: die spektrale Verstärkungsbandbreite erstreckt sich von ca. 750 nm bis 1350 nm, was einen 5,5-fs Puls unterstützt. Sie kann durch Variation der Phasenanpassungswinkel in den folgenden Stufen noch weiter optimiert werden.

Der besondere Aufbau des PFS lässt einen bisher unerreichten Kontrast zwischen dem Intensitätsmaximum und unerwünschten, durch parasitäre Verstärkungsprozesse erzeugten Vorpulsen erwarten, welche besonders bei Experimenten an Festkörpern eine vorzeitige Expansion des Targets und damit verfälschte Bedingungen auslösen können. Nach der Fertigstellung des PFS wird ein Lasersystem mit bisher unerreichten Parametern hinsichtlich Pulsdauer und Spitzenleistung zur Verfügung stehen. Es wird insbesondere die Erzeugung von intensiven Attosekunden-Röntgenpulsen revolutionieren, weckt aber auch große Hoffnungen im Hinblick auf die Erzeugung ultrarelativistischer Elektronenpulse und relativistischer Ionenstrahlen. Aufgrund seiner revolutionären Prinzipien und den sich daraus ergebenden prinzipbedingten Vorteilen gegenüber konventionellen Lasern ist dieses Verstärkerkonzept auch die Grundlage für eine ganze Reihe von Zukunftsprojekten und nicht zuletzt eine der grundlegenden Technologien für die geplanten europäischen Extreme Light Infrastructure (ELI)-Installationen in Prag (Tschechien) und Szeged (Ungarn).

2. ATLAS

Installiert im Jahr 1995, dient der Advanced Ti:sapphire LASer (ATLAS) nach mittlerweile mehreren von Prof. Karsch und seiner Gruppe durchgeführten Verbesserungen als Rückgrat der Hochfeld-Aktivitäten und zur Vorbereitung von Experimenten, die später am PFS stattfinden sollen. Dabei wurde in einem ersten Schritt die Pulsdauer von vorher 160 Femtosekunden zunächst auf 35 Femtosekunden und später sogar auf kleiner als 25 Femtosekunden verkürzt, was der für konventionelle Laser bei dieser Energie erreichbaren Grenze nahe kommt. Als zweiter Schritt wurde die routinemäßig verfügbare Ausgangsenergie auf 1,8 Joule verdoppelt, sodass jetzt 70 Terawatt Spitzenleistung verfügbar sind, d. h. die ursprüngliche Leistung wurde um mehr als eine Größenordnung verbessert. Synchron dazu wurde der Kontrast der Laserpulse der gestiegenen Spitzenintensität angepasst.

Durch Mittel aus dem MAP-Exzellenzcluster konnte die Technik von ATLAS im Jahr 2010 weiter verbessert werden, sodass eine Erhöhung der Ausgangleistung auf 100 Terawatt relativ kurzfristig möglich scheint. Letztendlich sind die Tage von ATLAS am MPQ jedoch gezählt, da von der Universität München gegenwärtig unweit des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik ein neues Laserlabor etabliert wird, als dessen Rückgrat ATLAS durch einen Leihvertrag mit der MPG eine neue Bestimmung erfahren soll. Das neue Labor trägt den durch die Leistungserhöhung gestiegenen Anforderungen an den Strahlenschutz Rechnung und lässt somit einen Betrieb mit wesentlich besserer Effizienz zu. Darüber hinaus ist die Finanzierung einer Verdreißigfachung der Spitzenleistung auf 2-3 Petawatt gesichert, die insbesondere die Experimente zur lasergetriebenen Ionen- und Elektronenbeschleunigung mit erstklassigen Pulsen versorgen soll.

Hochbrillante relativistische Elektronenstrahlen – der Freie-Elektronen-Laser

Eines der Hauptanwendungsgebiete von hochintensiven Laserpulsen ist die Beschleunigung von Teilchen in laserangeregten starken Plasmafeldern. Durchläuft ein solcher Laserpuls ein "unterdichtes" (d. h. für seine Wellenlänge transparentes) Plasma, so räumt er aufgrund seines Lichtdrucks alle Elektronen auf seinem Weg beiseite. Zurück bleiben die positiv geladenen Ionen, deren elektrostatische Anziehung zu einem Ladungsausgleich mit den Elektronen drängt und diese wie in einem Pendel um die Ruhelage schwingen lässt. Die Störung des Ladungsgleichgewichts durch den Laserpuls hat somit die Erzeugung einer starken, ihm folgenden Plasmaschwingung bzw. -welle zur Folge. Auf dieser Welle können nun Elektronen "surfen" und Energie gewinnen, wenn sie von ihrer Vorderflanke mitgenommen werden (Abb. 3 links).

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Links: Simulation der Laserbeschleunigung mit realistischen Parametern: Der Laserpuls (rot) bewegt... [mehr] Links: Simulation der Laserbeschleunigung mit realistischen Parametern: Der Laserpuls (rot) bewegt sich von links nach rechts und erzeugt dabei eine Plasmawelle (die Blauschattierungen geben die Elektronendichte vor einem konstanten Ionenhintergrund an), in der Elektronen bis auf hohe Energien "surfen" können. Dies geschieht hauptsächlich in der elektronenfreien Bubble-Zone, in der die anziehenden Felder der positiv geladenen Ionen am stärksten sind. Die räumlichen bzw. zeitlichen Skalen verdeutlichen die extrem hohe Dichte der beschleunigten Pulse mit ca. 107 bis 108 Elektronen. Rechts: Spektrum der beschleunigten Elektronen aus 11 aufeinanderfolgenden Laserschüssen, wie sie auf einen Fluoreszenzschirm nach dem Spektrometermagnet erscheinen.

Die Eigenschaften des so erzeugten Elektronenstrahls hängen empfindlich davon ab, an welcher Stelle relativ zum Kamm der Welle sich die Elektronen befinden. Wenn es gelingt, alle verfügbaren Elektronen innerhalb eines Bruchteils einer Schwingungsperiode nahe am Kamm der Plasmawelle einzufangen, sehen alle dasselbe Beschleunigungsfeld und können mit annähernd der gleichen Energie beschleunigt werden, was z. B. für die Realisierung eines lasergetriebenen FELs nötig ist. Zusätzlich sorgt die begrenzte transversale Ausdehnung des Laserpulses für eine begrenzte Breite der Plasmawelle, was fokussierend auf die Elektronen wirkt. Insgesamt sorgen also die kurze Plasmawellenlänge (einige Mikrometer longitudinal und transversal) für einen hochdichten, ultrarelativistischen Elektronenstrahl mit extremem Spitzenstrom von einigen 10 Kilo-Ampère.

Erste international beachtete Schritte in diese Richtung wurden in den letzten Jahren gesetzt. So konnte erstmals eine Betriebsstabilität eines Laser-Plasma-Beschleunigers erreicht werden [7], die sowohl statistisch aussagekräftige Parameterstudien als auch erste Anwendungen ermöglicht. Es wurde so gezeigt, dass die Richtung des Elektronenstrahls durch subtile kontrollierte Veränderungen der Laserpulsparameter beeinflusst werden kann, ohne dass dazu externe Magnete nötig sind [8]. Auch wurde kürzlich das erste Mal die theoretische Erwartung, dass die Dauer des Elektronenstrahls kürzer sei als der treibende Laserpuls, experimentell bestätigt [9].

In einer Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Grüner wurden die lasergetriebenen Elektronen zum ersten Mal in einem Undulator zur Abstrahlung von XUV-Licht gebracht [10], was einen ersten Schritt zu einem komplett lasergetriebenen FEL darstellt. Bis dahin ist es jedoch nötig, sowohl die Ladung des Elektronenpaketes zu erhöhen als auch die Energiebreite weiter einzuschränken. Zumindest ersteres ist kürzlich durch den Einsatz des verbesserten ATLAS-Lasers und eines optimierten Gastargets gelungen. In Abbildung 3 rechts sind die Ergebnisse der neuesten Messungen dargestellt. Die von Schuss zu Schuss relativ stabilen Elektronenstrahlen mit 350 MeV mittlerer Energie, ca. 1 mrad Divergenz und ca. 50 Piko-Coulomb Ladung erfüllen bis auf die noch um ca. eine Größenordnung zu große Energiebreite die Minimalanforderungen für ein FEL-Demonstrationsexperiment.

1.
E. Esarey, C.B. Schroeder, W.P. Leemans:
Physics of laser-driven plasma-based electron accelerators.
Review of Modern Physics 81, 1229-1285 (2009).
2.
J.A. Fülöp, Zs. Major, A. Henig, S. Kruber, J. Osterhoff, R. Hörlein, F. Krausz, S. Karsch:
Short pulse optical parametric chirped-pulse amplification for the generation of high-power few-cycle pulses.
New Journal of Physics 9, 438 (2007).
3.
A. Thai, C. Skrobol, P.K. Bates, G. Arisholm, Z. Major, F. Krausz, S. Karsch, J. Biegert:
Simulations of petawatt-class few-cycle optical-parametric chirped-pulse amplification, including nonlinear refractive index effects.
Optics Letters 35, 3471-3473 (2010).
4.
C. Wandt, S. Klingebiel, M. Siebold, Zs. Major, J. Hein, F. Krausz, S. Karsch:
Generation of 220 mJ nanosecond pulses at a 10 Hz repetition rate with excellent beam quality in a diode-pumped Yb:YAG MOPA system.
Optics Letters 33, 1111-113 (2008).
5.
M. Siebold, J. Hein, C. Wandt, S. Klingebiel, F. Krausz, S. Karsch:
High-energy diode pumped Yb:YAG MOPA system.
Optics Express 16, 3674-3679 (2008).
6.
I. Ahmad et al.:
Frontend light source for short-pulse pumped OPCPA system.
Applied Physics B 97, 529-536 (2009).
7.
J. Osterhoff et al.:
Generation of Stable, Low-Divergence Electron Beams by Laser Wakefield Acceleration in a Steady-State-Flow Gas Cell.
Physical Review Letters 101, 085002 (2008).
8.
A. Popp et al.:
All-Optical Steering of Laser-Wakefield-Accelerated Electron Beams.
Physical Review Letters 105, 215001 (2010).
9.
A.D. Debus et al.:
Electron bunch length measurements from laser-accelerated electrons using single-shot THz time-domain interferometry.
Physical Review Letters 104, 084802 (2010).
10.
M. Fuchs et al.
Laser-driven soft-X-ray undulator source.
Nature Physics 5, 826-829 (2009).
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