Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4584
Main Title: Ultrafast field dynamics in laser ion acceleration
Translated Title: Ultraschnelle Felddynamik in der Laser-Ionenbeschleunigung
Author(s): Abicht, Florian
Advisor(s): Sandner, Wolfgang
Schnürer, Matthias
Referee(s): Schreiber, Jörg
Sandner, Wolfgang
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In der vorgelegten Dissertationsschrift werden starke Felder untersucht, die an dünnen und ultra-dünnen Folien in Folge intensiver Laser-Plasma-Wechselwirkungen erzeugt werden, sowie die damit verbundene Ionenbeschleunigung. Zur Generation der Felder wurden Laserpulse mit ultra-hohem Kontrast (10^10-10^11), ultra-hoher Intensität (10^18-10^20 W/cm^2) und ultra-kurzer Pulsdauer (30 – 50 fs) verwendet. Als Diagnostik wurde die „proton streak deflectometry“ als eine spezielle Methode des „proton imaging“ in verschiedenen Varianten angewandt und weiterentwickelt. Diese Methoden erlaubten es die kurzlebigen elektromagnetischen Feldstrukturen direkt zu untersuchen und auf bestimmte Eigenschaften der laser-induzierten Ionenquelle zurückzuschließen. Darüberhinaus wurden komplementäre Varianten dieser Methoden kombiniert und für die räumliche und zeitliche Rekonstruktion der Felder verwendet. Feldveränderungen konnten mit einer Zeitskala im Femtosekundenbereich und einer örtlichen Skala im Mikrometerbereich in Verbindung gebracht werden. Für die absolute räumliche und zeitliche Ausdehnung der Felder wurden Werte im Bereich von Pikosekunden und Millimetern bestimmt. Zusätzlich werden in der Arbeit verschiedene theoretische Modelle vorgestellt und auf der Basis multi-dimensionaler Teilchensimulationen daraufhin untersucht, ob sie die experimentellen Beobachtungen qualitativ und quantitativ erklären können. Einzelne Modelle konnten validiert werden, da ihre Implementierung in Teilchensimulation zu einer weitgehenden Reproduktion der wesentlichen Eigenschaften der Messergebnisse führte. Auf diese Weise konnten Messergebnisse interpretiert und erklärt werden, die mittels „proton streak deflectometry“ in transversaler und longitudinaler Konfiguration durchgeführt wurden, wobei unterschiedliche und teilweise komplementäre analytische Modelle kombiniert wurden. Die folgenden wissenschaftlichen Beobachtungen wurden im Rahmen dieser Forschungsarbeit erstmalig gemacht oder beschrieben: • Der Einsatz intensiver Laserpulse mit sehr hohem Kontrast (10^10-10^11) und ultra-kurzer Pulsdauer (30 – 45 fs) für die Ionenbeschleunigung an dünnen Folien führte zu Modulationen im Energiespektrum der Protonen, welche mit Hilfe eines speziellen Thomson Spektrometers detektiert wurden. Dabei ließ sich die Periodizität der beobachteten Modulationen auf die Frequenz des einfallenden Laserpulses zurückführen. • Der Einfluss der Felddynamik einer Laser-Plasma-Wechselwirkung an einer dünnen Folie, die sich auf einer Zeitskala von 100 Femtosekunden ändert, wurde mit Hilfe der „proton streak deflectometry“-Methode in longitudinaler Konfiguration gemessen. Die zeitliche und räumliche Rekonstruktion der verschiedenen Feldkomponenten ließ sich aus dem Vergleich der Messungen mit Modelrechnungen ableiten. • Eine interessante Beziehung zwischen der Pulsdauer des Lasers und der induzierten magnetischen Feldkonfiguration an ultra-dünnen Folien konnte beobachtet werden. Die Veränderung der Pulsdauer von einigen Femtosekunden auf mehrere Pikosekunden führte zu einer Inversion der gemessenen magnetischen Feldpolarität auf der Rückseite der Folie.
This work primarily focuses on the investigation of strong fields which are initiated on thin and ultra-thin foils with ultra-high (10^18-10^20 W/cm^2) intensity and ultra-high contrast (10^10-10^11) laser pulses. For this purpose the proton streak deflectometry method (proton imaging) was developed further and applied in different probing configurations. This method allowed the direct probing of the transient electromagnetic field structure and the determination of properties of the laserdriven proton beam. In addition, several theoretical models were tested regarding their ability to explain the experimental observations. This thesis aims for better understanding of the complex dynamics of laser-induced strong fields on thin solid foils which constitutes the basis for laser ion acceleration. Advancing beyond previous work, the application and combination of complementary methods for the field reconstruction was investigated. Changes of the fields could be connected with femtosecond and micrometer scales. For the duration and the extension of the fields, scales in the range of picoseconds and millimeters, respectively, were found. Conclusions on the observed field effects were drawn on the basis of several analytical models. Their applicability was tested using multidimensional particle simulations which could reproduce particular features of the experimental observations. As a result, the proton streak deflectometry measurements in longitudinal and transversal configuration could be explained by means of different and partially complementary analytical models. Within the research of this thesis, the following findings have been identified for the first time: • Modulations in the proton energy spectrum were detected when intense femtosecond laser pulses with very high temporal contrast (10^10-10^11) were applied for the ion acceleration on thin foils. The observed modulations could be connected with the cycle of the driving laser field. • The imprint of field dynamics at 100 femtosecond timescale on a probing proton beam was measured with the proton deflectometry method in longitudinal configuration. The temporal and spatial reconstruction of the various acting field components was possible by comparing the measurements with model calculations. • An interesting relation between the laser pulse duration and the induced magnetic field configuration on ultra-thin foils was observed. The variation of the pulse duration from several femtoseconds to picoseconds led to an inversion of the field polarity on the rear side of the ultra-thin foil.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-69482
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4881
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4584
Exam Date: 13-Jul-2015
Issue Date: 7-Aug-2015
Date Available: 7-Aug-2015
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Dünne Folie
Feldrekonstruktion
Laser-Ionenbeschleunigung
Streak Deflektometrie
Ultraschnelle Felddynamik
Field reconstruction
Laser ion acceleration
Streak deflectometry
Thin foils
Ultrafast field dynamics
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/
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