Forschungsbericht 2004 - Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Laserplasmaphysik am MPI für Quantenoptik

Laser-Plasmaphysics at the MPI for Quantum Optics

Autoren
Witte, Klaus
Abteilungen

Laserplasmen (Prof. Dr. Klaus Witte)
MPI für Quantenoptik, Garching

Zusammenfassung
Die Laserplasmaphysik hat im MPI für Quantenoptik eine weit zurückreichende Tradition. Die Wurzeln liegen im MPI für Plasmaphysik, als dort Mitte der 60er-Jahre mit diesem Gebiet begonnen wurde. Die untersuchte Thematik hat sich an der Inertialfusion mit Laserstrahlen ausgerichtet, wobei grundsätzliche Fragestellungen im Vordergrund standen und weniger die tatsächliche technische Durchführung des Konzeptes. An dieser Orientierung hat sich bis heute nichts geändert. 1975 wurde aus dem MPI für Plasmaphysik die Projektgruppe für Laserforschung ausgegliedert. Sie ging 1981 in das MPI für Quantenoptik über.
Summary
The article gives a historical account of the activities of the Laser-Plasma-Group at the MPI for Quantum Optics (MPQ) including the period prior to the formation of the institute. The investigated objects of research have mainly dealt with fundamental issues of inertial fusion using laser beams and far less with questions related to the technical realisation of this concept.

Die frühen Jahre 1965 – 1980

Die Inertialfusion beinhaltet die sphärische Kompression eines Kügelchens, das ein Gemisch aus Deuterium (D) und Tritium (T) enthält und einen anfänglichen Durchmesser von etwa 1 mm besitzt. Aus vielen unterschiedlichen Richtungen einfallende kurze Laserpulse bestrahlen die Oberfläche des Kügelchens möglichst homogen und erzeugen an seiner Oberfläche ein Plasma, das nach außen wegströmt. Der dadurch verursachte Rückstoß komprimiert das DT-Gemisch durch Volumenverkleinerung auf etwa tausendfache Festkörperdichte bei gleichzeitiger Erwärmung. Der Vorgang darf nur einige Nanosekunden (ns) dauern, weil sonst im Zentrum des hoch verdichteten DT-Gemisches die Zündtemperatur von 100 Millionen Grad nicht erreicht wird. Dieses Kompressionsschema wird als „Direct Drive“ bezeichnet. Die thermonuklearen Verbrennung des DT-Gemisches setzt Neutronen frei, deren kinetische Energie zum Betrieb eines konventionellen Wasserdampfkraftwerkes nutzbar ist. Als Treiber (Driver) kommt der Neodym-Glas Laser mit einer Wellenlänge von 1 µm in Betracht. Ursprünglich wurde der CO2-Laser mit einer Wellenlänge von 10 µm wegen seines hohen Wirkungsgrades favorisiert; er musste aber später aufgegeben werden, weil sich seine Wellenlänge als zu ungünstig erwies.

Die ersten Arbeiten der Laserplasmagruppe konzentrierten sich auf Charakterisierung der Selbstemission des ablatierenden Plasmas und die Absorption der Laserstrahlung in diesem Plasma und damit zusammenhängenden Problemen, die die Effizienz der Energieeinkopplung betrafen. Hierzu zählten insbesondere Plasmainstabilitäten in Form von Brillouin- und Raman-Rückwärtsstreuung (heute noch ein „heißes“ Thema) sowie die spektrale Charakterisierung der Elektronen, die bei der Absorption der Laserpulse entstehen und den Energietransport ins Innere des Kügelchens übernehmen. Diese Untersuchungen ließen sich an ebenen Targets durchführen und bedurften daher keines aufwendigen Lasersystems. Der zur Verfügung stehende Einzelschuss Neodym-Glas- Laser mit Pulsenergien ≤ 30 Joule (J) und einer Pulsdauer von einigen ns reichte völlig aus. Bedeutende Ergebnisse mit großer internationaler Beachtung waren die Entdeckung der Phasenkonjugation bei der Brillouin-Streuung [1] und das Energiespektrum der Elektronen [2], das sich überraschenderweise nicht als eine reine Maxwell-Verteilung herausstellte, sondern noch über eine hochenergetische Komponente verfügte. Diese führt zu einer unerwünschten Vorheizung des hoch verdichteten DT-Gemisches und lässt sich nur vermeiden, wenn die Wellenlänge der Laserstrahlung im sichtbaren Bereich oder darunter liegt. Diese Erkenntnis bedeutete das Aus für den CO2-Laser und leitete beim Neodym-Glas-Laser die Entwicklung der Frequenz-Verdopplung und –Verdreifachung mit KDP (Kaliumdihydrogenphosphat) Kristallen ein. Beide Konversionen gelingen mittlerweile bei Strahldurchmessern bis zu 40 cm mit über 70% Effizienz.

1980 – 1995: Hohlraumphysik

Trotz weltweiter Bemühungen gelang es nicht, die Kompression sphärisch symmetrisch durchzuführen. Die sich überlagernden Laserstrahlen erzeugen aufgrund ihrer Kohärenz Interferenzeffekte, die erhebliche Intensitätsmodulationen nach sich ziehen, wodurch der Rückstoß des ablatierenden Plasmas lokal so unterschiedlich wird, dass die geforderte hohe Kompression nicht mehr erreichbar ist. Abhilfe aus dieser misslichen Situation kam über das Konzept des „Indirect Drive“. Das DT Kügelchen wird in der Mitte eines etwas größeren Hohlraums aufgehängt, der mit Löchern versehen ist, durch die die Laserstrahlen eintreten können. Ohne das Kügelchen zu berühren, treffen sie auf die Wand des Hohlraums und deponieren dort ihre Energie. Dadurch heizt sich die Wand so stark auf, dass sie Strahlung im weichen Röntgenbereich aussendet, die den gesamten Hohlraum ausfüllt. Da diese Strahlung inkohärent ist, gibt es keine Interferenzeffekte, sodass sich das Kügelchen sphärisch symmetrisch komprimieren lässt. Die Laserstrahlung wird mit einem Konversionsgrad von etwa 35% in weiche Röntgenstrahlung umgewandelt, wenn der Hohlraum aus Gold besteht.

Die Physik des leeren Hohlraums, d. h. ohne DT- Kügelchen, erwies sich als ein äußerst ertragreiches Arbeitsgebiet, dem sich die Laserplasmagruppe von Ende der 70er- bis Anfang der 90er-Jahre zuwandte. Da sich der Hohlraum mit nur einem Laserstrahl heizen lässt, war die Verwirklichung entsprechender Experimente mit den vorhandenen Mitteln machbar. Allerdings bedurfte es eines weitaus stärkeren Lasers als er bisher zur Verfügung stand, um fusionsrelevante Strahlungstemperaturen zu erreichen. Dieser Herausforderung wurde einmal durch die Eigenentwicklung des atomaren Jod-Lasers ASTERIX [3] (Abb.1) mit einer Wellenlänge von 1,32 µm entsprochen. Die Pulsenergie betrug bis zu 1 kJ bei einer Pulsdauer von 450 Pikosekunden (1 ps = 10-12 s ). Außerdem konnte der Puls-Frequenz verdoppelt oder verdreifacht werden. Die für einen Laser dieser Energieklasse hohe Wiederholrate von 20 Minuten/Schuss hat erheblich zur Gewinnung verlässlicher Messergebnisse beigetragen. Zum anderen konnte durch eine mehrjährige Zusammenarbeit mit dem Institute of Laser Engineering in Osaka/Japan die dort entwickelte 12-Strahl-Anlage GEKKO XII (Neodym-Glas, bis zu 2 kJ/Strahl, Pulsdauer einstellbar von 0,1 bis 1 ns) genutzt werden, was die Skalierung der Hohlraumtemperatur mit der Laserenergie ermöglichte.

Die ersten Experimente betrafen die quantitative Charakterisierung der Hohlraumstrahlung, die sich als nahezu Planck-Strahlung herausstellte, d. h. sie kann durch die Angabe eines einzigen Parameters, die Strahlungstemperatur, beschrieben werden. In mit ASTERIX-Pulsen geheizten Hohlräumen erreichte sie Werte von bis zu 100 eV (Elektronenvolt) und in den mit GEKKO XII-Pulsen geheizten Hohlräumen Werte bis zu fusionsrelevanten 240 eV. Eine weitere, experimentell zugängliche Größe ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wärmewelle, die in die Hohlraumwand eindringt. Eine dünne Goldfolie (typische Dicke 1 µm), die ein Loch in der Hohlraumwand bedeckt, beginnt plötzlich zu strahlen, sobald die Wärmewelle an ihrer äußeren Seite angelangt ist. Der Zeitpunkt der Abstrahlung erfolgt mit einer dickenabhängigen Verzögerungszeit gegenüber einem offenen Loch in der Hohlraumwand. Die gemessenen Werte der Propagationsgeschwindigkeit (=Foliendicke/Verzögerung) und der Hohlraumtemperatur sind in guter Übereinstimmung mit dem theoretischen Modell der Wärmewelle, das die Laserplasmagruppe entwickelt hat [4]. Diese Untersuchungen haben mit dazu beigetragen, dass das Lawrence Livermore National Laboratory seine diesbezüglichen Arbeiten 1994 deklassifiziert hat. In allen Aspekten zeigte sich eine bemerkenswert gute Übereinstimmung.

Die laserinduzierte Planck-Strahlung lässt sich auch in der Astrophysik zur Untersuchung von Phänomenen bei hohem Druck und hoher Dichte einsetzen. Hierzu hat die Laserplasmagruppe wegweisende Experimente durchgeführt [5]. Abbildung 2 zeigt einen aus Gold gefertigten Hohlraum von 1 mm Durchmesser mit einem internen konischen Goldkonverter, den ein Frequenz-verdreifachter ASTERIX-Puls heizt. Der Hohlraum besitzt gegenüber dem Eintrittsloch für den Laserpuls eine weitere Öffnung, die mit einer 200 µm dicken Siliziumfolie verschlossen ist. Der Konverter ist so gestaltet, dass er die Folie vor der direkten Bestrahlung mit dem Laserpuls vollkommen abschirmt. Die Hohlraumstrahlung verursacht auf der Innenseite der Folie Ablation, die eine planare Stoßwelle durch die Folie treibt. Bei ihrem Ausbruch auf der Rückseite erzeugt die Stoßwelle Licht im Sichtbaren. Durch eine gleichzeitige Messung dieser Emission und der Reflektion monochromatischen, auf die Folienaußenseite gerichteten Lichtes kann die Helligkeitstemperatur der Stoßfront ermittelt werden (1,4 eV). Diese Messungen dienen als Prüfstein für theoretische Modelle zur Bestimmung der Struktur der Stoßwelle in dichter Materie.

Seit 1995: Plasmaphysik mit ultrakurzen Pulsen

Mitte der 90er-Jahre wurde eine neue Generation von Lasern verfügbar, die Pulse bereitstellen, deren Leistung die der Vorgängergeneration um Größenordnungen übersteigt. Möglich wurde diese enorme Leistungssteigerung durch die Verwirklichung der so genannten „Chirped Pulse Amplification“ (CPA), die die durch Selbstfokussierung bedingte Stagnation in der Entwicklung von Hochleistungslasern beendete. Die Verstärkerkette wird um zwei neue optische Elemente, Strecker und Kompressor, erweitert. Der vom Oszillator gelieferte Puls der Dauer von weit unterhalb 1ps wird im Strecker auf einige hundert ps gedehnt, wobei die roten Frequenzen den blauen vorauseilen. Durch diesen „Trick“ und die übliche Vergrößerung des Strahlquerschnittes, um der Energieaufnahme des Pulses Rechnung zu tragen, lassen sich die Pulsintensitäten so beschränken, dass trotz hoher Verstärkung unerwünschte Effekte wie Selbstfokussierung und Selbstphasenmodulation nicht bedeutsam werden. Im Kompressor wird der Puls auf die ursprüngliche Dauer zurückgestaucht. Die Bandbreite des Lasermaterials bestimmt die erreichbare Pulsdauer. Neodym-Glas als verstärkendes Medium erlaubt minimale Pulsdauern von ~400 Femtosekunden (fs). Mit dem erst seit 1990 verwendeten Material Titan:Saphir (Saphir, das mit bis zu 0,3 Gewichtsprozenten Titan dotiert ist) sind wesentlich kürzere Pulsdauern möglich; sie liegen typischerweise zwischen 10 bis 100 fs. Andererseits lässt Neodym-Glas wesentlich höhere Pulsenergien zu als Ti:Saphir, weil Neodym-Glas als amorphes Material in großen Abmessungen hergestellt werden kann. Titan:Saphir ist ein Einkristall und steht daher nur in wesentlich kleineren Abmessungen zur Verfügung. Bei den Neodym-Glas-Lasern stoßen die Pulsenergien und Pulsleistungen heute in den Kilojoule- bzw. in den Petawatt(PW)-Bereich vor. Bei Titan:Saphir-Lasern reichen die Pulsenergien bis zu einigen 10 J, und die Pulsleistungen bis zu 1 PW. Titan:Saphirlaser im Terawatt-Bereich erlauben Wiederholraten bis zu 10 Hz, während leistungsstärkere Anlagen wie auch Neodym-Glas Laser nur im Einzelschuss betrieben werden können.

Die ultrakurzen Pulse erschließen der Plasmaphysik völlig neue Anwendungsfelder. Dazu zählen insbesondere die Heizung von Materie zu hohen Temperaturen bei konstantem Volumen, die Erzeugung von hochenergetischen Elektronen- und Ionenjets geringer Emittanz und die Herstellung von Attosekundenpulsen im weichen Röntgengebiet durch Überlagerung von Harmonischen, die bei der Bestrahlung einer Festkörperoberfläche mit einem hochintensiven Laserpuls in spekularer Richtung emittiert werden. Damit wird die Diagnostik von Plasmen mit mehrfacher Festkörperdichte zum ersten Mal mit hoher Zeitauflösung möglich. Alle genannten Gebiete sind für die Inertialfusion von Bedeutung. Diese Perspektiven haben die Laserplasmagruppe 1995 zum Kauf eines Kurzpuls- Titan:Saphir- Lasers veranlasst, der den Namen ATLAS erhielt. Die ursprüngliche Leistung betrug 1 TW. Sie wurde in den folgenden Jahren auf 10 TW aufgestockt. Die Pulsdauer ist bei 120 fs geblieben. Die relativ hohe Wiederholrate von 10 Hz hat sich trotz des erhöhten Aufwandes für Strahlungsabschirmung als sehr vorteilhaft erwiesen.

Schon bald stellte sich heraus, dass ein Parallelbetrieb von ASTERIX und ATLAS aufgrund personeller und finanzieller Engpässe nicht möglich war. Eines der beiden Lasersysteme musste aufgegeben werden. Die Entscheidung fiel zu Gunsten der Fortführung von ATLAS, weil sich damit der Zugang zu einer neuen Plasmaphysik mit noch nicht absehbaren Ergebnissen eröffnete. 1997 wurde ASTERIX zum Institut für Plasmaphysik der Akademie der Wissenschaften der Tschechischen Republik in Prag transferiert und ist dort seit 1999 wieder voll in Betrieb.

Die Laserplasmagruppe verfolgt alle oben genannten Zielsetzungen. Mit der Heizung von Materie bei konstantem Volumen (isochor) lassen sich in nur wenigen µm dicken Schichten für die Dauer von etwa 1 ps Plasmazustände herstellen, wie sie bei der Inertialfusion während der späten Kompressionsphase auftreten. Die charakteristische Signatur des Festkörperplasmas ist die von seinen Ionen ausgesandte K-Schalen-Emission. Die gemessenen Spektren werden mit theoretischen verglichen, die über komplexe Codes berechnet werden. Durch stetige Verbesserungen am experimentellen Aufbau und am theoretischen Modell konnten wir beide Spektren über den Wellenlängenbereich der K-Schalen-Emission nahezu deckungsgleich machen, womit eine hohe Genauigkeit bei der Bestimmung der Temperatur und Dichte der Plasmaelektronen erreicht wurde [6].

Nicht nur die Herstellung von Attosekundenpulsen (10-15 s), sondern auch ihre Metrologie [7] sind aktuelle Themen, die auch in Zukunft weiter verfolgt werden.

Hochenergetische Elektronen- und Ionenjets, zu deren Erzeugungsmechanismen (Abb. 3 und 4) die Laserplasmagruppe wesentliche Beiträge geliefert hat [8,9], sind interessante Kandidaten für laserbasierte Beschleuniger. Außerdem spielen sie beim Fast-Ignitor-Konzept der lnertialfusion eine zentrale Rolle. Nach Abschluss der Kompression werden sie durch einen ultrakurzen Laserpulse außerhalb des hoch verdichteten DT-Gemisches erzeugt, dringen in dieses ein und deponieren dabei soviel Energie, dass Zündung einsetzt. Die Teilchen sollen möglichst monoenergetisch sein, jedoch ist offen, wie das bewerkstelligt werden kann. Numerische Simulationen sagen voraus, dass die Teilchenstrahlen bei der Propagation durch das hochdichte Plasma unter starkem Energieverlust filamentieren. Die Laserplasmagruppe entwickelt breitbandige Lichtpulse hoher Flexibilität, mit denen beide Probleme experimentell angegangen werden können. Ein weiteres Ziel ist dabei, Elektronenjets mit Energien im Bereich von einigen hundert MeV zu erzeugen, um einen kompakten Freie-Elektronen-Laser im Röntgenbereich zu verwirklichen.

Originalveröffentlichungen

Eidmann, K. and R. Sigel
Evidence of Stimulated Backscattering of Laser Radiation from a Laser Produced Plasma
IPP Bericht IV/46 (1972)
Sigel,R., S. Witkowski, H. Baumhacker, K. Büchl, K. Eidmann, H. Hora, H. Mennicke, P. Mulser, D. Pfirsch and H. Salzmann
Survey of Studies of Laser Produced Plasmas at the IPP Garching
IPP Bericht IV/9 (1971)
Brederlow,G. E. Fill and K. J. Witte
The High-Power Iodine Laser
Springer Series in Optical Sciences, Vol. 34 (1983)
Pakula,R. and R. Sigel
Self-Similar Expansion of Dense Matter due to Heat Transfer by Nonlinear Conduction
Physics of Fluids 28, 232 - 244 (1985)
Löwer,Th., V. N. Kondrashov, M. Basko, A. Kendl, J. Meyer-ter-Vehn and R. Sigel
Reflectivity and Optical Brightness of Laser-Induced Shocks in Silicon
Physical Review Letters 80, 4000 – 4003 (1998)
Saemann,A., K. Eidmann, I. E. Golovkin, R. C. Mancini, E. Andersson, E. Förster and K. J. Witte
Isochoric Heating of Solid Aluminum by Ultrashort Laser Pulses Focused on a Tamped Target
Physical Review Letters 82, 4843-4846 (1999)
Tzallas,P., D. Charalambidis, N. A. Papadoiannis, K. Witte and, G. Tsakiris
Direct Observation of Attosecond Light Bunching
Nature 426, 267 – 271 (2003)
Gahn,C., G. D. Tsakiris, A. Pukhov, J. Meyer-ter-Vehn, G. Pretzler, P. Thirolf, D. Habs and K. J. Witte
Multi-MeV Electron Beam Generation by Direct Laser Acceleration in High-Density Plasma Channels
Physical Review Letters 83, 4772 – 4775 (1999)
Hegelich,M., S. Karsch, G. Pretzler, D. Habs, K. Witte, W. Guenther, M. Allen, A. Blazevic, J. Fuchs, J. C. Gauthier, M. Geissel, P. Audebert, T. Cowan and M. Roth
MeV Ion Jets from Short-Pulse-Laser Interaction with Thin Foils
Physical Review Letters 89, 085002 /1-4 (2002)
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