Schanz, Victor (2019)
Zeitlicher Laserpulskontrast - Metrologie und Optimierung.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die vorliegende Ausarbeitung stellt eine umfassende wissenschaftliche Analyse des zeitlichen Kontrasts intensiver Laserpulse dar. Sie dient dem Verständnis der Ursachen von Kontrast-limitierenden Einflüssen und der Verbesserung des zeitlichen Kontrasts. Der Großteil dieser Arbeit wurde am Lasersystem PHELIX der Gesellschaft für Schwerionenforschung GmbH durchgeführt. Die hier gewonnenen Erkenntnisse sind Anwendbar auf alle Lasersysteme, welche auf dem Prinzip der Verstärkung zeitlich gestreckter Pulse (CPA aus dem Englischen chirped pulse amplification) basieren.

In CPA-Lasersystemen gibt es Bereiche, in welchen der Laserpuls gestreckt, und andere, in welchen er komprimiert ist. Die Bereiche sind über Dispersion des Spektrums miteinander verknüpft. Eine Veränderung des zeitlich gestreckten Pulses wird häufig durch Pockels-Zellen vorgenommen. Im Rahmen der hier vorgestellten Arbeit wurde experimentell untersucht, wie sich diese Veränderung auf den Puls nach Kompression auswirkt. Es wurde gezeigt, dass eine zeitabhängige Intensitätsveränderung der verstärkten spontanen Emission durch eine Pockels-Zelle, welche im gestreckten Bereich innerhalb von 150 ps abgeschlossen ist, im komprimierten Puls als 2,3 ns lang andauernder Intensitätsanstieg zu sehen ist. Aufbauend darauf wurde eine analytische Beschreibung entwickelt, welche die zeitabhängige Kontrastveränderung durch Pockels-Zellen in Abhängigkeit des Eingangsspektrums angibt.

Der zeitliche Kontrast ist definiert als das Verhältnis der maximalen Intensität eines Laserpulses zu dessen Intensität an einem beliebigen Zeitpunkt vor diesem Maximum. Heutige Lasersysteme erreichen fokussiert Spitzenintensitäten von mehr als 10^{21} W/cm^2 und benötigen sehr hohe Kontrastniveaus, da anderenfalls bereits vor Erreichen der maximalen Intensität signifikante Laser-Materie-Wechselwirkung stattfindet.

Typischerweise entspricht der zeitliche Intensitätsverlauf eines Laserpulses nicht dem theoretisch erwarteten Verlauf eines bekannten, verstärkten Pulses. Stattdessen bildet sich vor dem Erreichen der maximalen Intensität eine Anstiegsflanke, welche eine deutlich langsamere Intensitätsänderung zeigt, als dies von dem Verlauf des ursprünglichen Pulses zu erwarten ist. Als Ursache dafür werden Fehler von Optiken im Fernfeld des Streckers angenommen, welcher die zeitliche Streckung des Pulses vornimmt und somit eine unerlässliche Komponente der CPA darstellt.

Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein Strecker in einer eigens hierfür entwickelten Strahlverfolgungsroutine, welche zudem Elemente der Gaußschen Strahlenoptik beinhaltet, modelliert. In dieser ist die Möglichkeit implementiert gezielt Störungen an unterschiedlichen Stellen des Streckers einzubringen. Der resultierende Algorithmus ermöglicht es den Einfluss eines beliebigen Mangels einer Optik des Streckers auf das Spektrum und den zeitlichen Verlauf der Intensität eines Laserpulses zu untersuchen. Damit wurde gezeigt, dass das zeitliche Laserpulsprofil durch Deformationen der Oberflächenstruktur von genutzten Optiken dominiert wird.

Oberflächendeformationen stören direkt und indirekt die Phase eines reflektierten Strahls. Direkt über Phasenversatz bei der Reflexion, indirekt über Variation der Richtung, in welche Strahlen reflektiert werden. Die Richtungsänderung führt zu einer Veränderung des optischen Wegs der Strahlen und somit zu weiteren Modulationen der spektralen Phase. Im Rahmen dieser Dissertation wurde der Effekt des indirekten Phaseneinflusses zum ersten Mal Untersucht und gezeigt, dass Richtungs- und direkte Phasenänderungen signifikant den zeitlichen Verlauf eines Laserpulses beeinflussen. Insbesondere führen Richtungsänderungen in Verbindung mit Raumfrequenzfiltern im Nachgang des Streckers zu Kopplungseffekten zwischen Phasen- und Intensitätsänderung, was den zeitlichen Kontrast ebenfalls beeinflusst.

Treten identische Störungen auf Optiken im Nah- und Fernfeld auf, wird der zeitliche Kontrast von den im Fernfeld eingebrachten Effekten dominiert. In dem hier untersuchten Beispiel bestmöglicher Optiken wird der Pulsverlauf von diesen Störungen bereits bei einer Intensität von 3x10^{-8} relativ zum Maximum signifikant beeinflusst. In dieser Arbeit wurde erstmals gezeigt, dass im Fernfeld eingebrachte Störungen mit im Strecker auftretenden Aberrationen zusammenwirken und eine Modulation der spektralen Phase mit chromatisch abhängiger Amplitude erzeugt.

Mit dem entwickelten Algorithmus wurden Simulationen durchgeführt, um die Abhängigkeit des zeitlichen Kontrasts von verschiedenen Parametern zu untersuchen. Damit wurde gezeigt, dass die Güte von Optiken im Hinblick auf deren Oberflächendeformationen einen großen Einfluss hat. Inhomogenitäten der Reflektivität verwendeter Optiken hingegen, stellen nach heutigem Stand der Technik kein Limit für den erreichbaren Kontrast dar.

Räumliche Mittelung von Störeffekten auf Optiken über den Bereich des Laserstrahls hat einen maßgeblichen Einfluss auf die resultierenden Auswirkungen. So wirkt sich eine größere räumliche Ausdehnung des Strahls positiv auf den zeitlichen Pulsverlauf aus, wenn Optiken im Nahfeld kontrastbegrenzend sind, jedoch negativ sollten Fernfeldeinflüsse Ursache des Kontrastniveaus sein.

Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wurde ein Konzept für ein neuartiges Streckerdesign erarbeitet, welches die erkannten Ursachen der Verschlechterung des zeitlichen Kontrasts umgeht oder deren Einfluss minimiert. Mit einem solchen Strecker wird die Steigung der Anstiegsflanke wesentlich steiler. Der zeitliche Abstand vor dem Intensitätsmaximum, ab welchem ein Vorplasma erzeugt werden kann, wird damit um einen Faktor 33 verringert.

Simulationen des entwickelten Algorithmus wurden mit gemessenen Pulsverläufen des Lasersystems PHELIX verglichen. Somit konnte der Einfluss des genutzten Streckers und ein Maß für die Qualität der darin genutzten Optiken bestimmt werden.

Um den zeitlichen Kontrast zu vermessen und zu verbessern, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein spezieller Kreuz-Korrelator dritter Ordnung optimiert und eingesetzt. Dieses Gerät zeichnet sich durch ein sehr niedriges Rauschlevel aus, welches durch Anpassung des Überlagerungswinkels interagierender Strahlen erreicht wird. In dieser Arbeit wurde eine analytische Beschreibung entwickelt, wie die Rauschverringerung mit diesem Winkel zusammenhängt.

Es wurden weitere Verbesserungsmöglichkeiten, wie zum Beispiel die Anpassung der Intensitäten interagierender Strahlen, analytisch aufgezeigt. Kombiniert lassen diese eine weitere Rauschverringerung um drei Größenordnungen erwarten. Zum Teil wurden diese umgesetzt und damit ein Rauschlevel von (3,7_{-3,6}^{+7,4})x 10^{-14} relativ zum Intensitätsmaximum erreicht. Nach aktuellem Stand ist weltweit kein Gerät mit einem ähnlich großen Intensitätsmessbereich in einer zusammenhängenden Messung verfügbar.

Das Gerät wurde eingesetzt, um den zeitlichen Kontrast zu bestimmen und zu verbessern. So konnten am Lasersystem PHELIX mehrerer Vorpulse auf Zeitskalen von Pikosekunden bis zu 2,5 Nanosekunden identifiziert werden. Die Ursache der beiden intensivsten Vorpulse konnten ausgemacht und beseitigt werden.

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