Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5714
Main Title: Relativistic laser plasma dynamics with ultrathin foils
Translated Title: Relativistische Laser-Plasma-Dynamik an ultradünnen Folien
Author(s): Bränzel, Julia
Advisor(s): Schnürer, Matthias
Eisebitt, Stefan
Sandner, Wolfgang
Referee(s): Eisebitt, Stefan
Schreiber, Jörg
Schnürer, Matthias
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: This thesis investigated the fundamental interaction processes of laser pulses of relativistic intensity interacting with dense plasmas, created from ultrathin foils. These processes include, ion and electron acceleration and the emission of coherent, high energy XUV radiation. They were investigated with respect to their parametric dependencies and optimization, and important new effects arising out this work were examined. This thesis shows how the laser-plasma interaction significantly differs for different experimental parameters, namely, the stochiometry and thickness of the target, the laser parameters and the properties of the plasma boundary. The resulting impact on the ion and electron acceleration, as well as, on the emitted XUV radiation were measured and correlations for different parameter ranges were found from which differences in underlying mechanisms were obtained. An unexpected acceleration of the heavy ions was discovered using ultrathin foils made of heavy elements, thus revealing a new acceleration mechanism. This mechanism enables an acceleration of heavy ions to kinetic energies of up to 1 MeV/u* for a laser intensity of 7x10^19 W/cm^2. In this work, a detailed analysis and discussion of this effect and the underlying charge state to kinetic energy scaling is presented. The experiments tested a number of theoretical suggestions: an enhancement of the relativistic electron emission and ion charge transfer processes with the use of double foil targets, and relativistic backscattering of a second laser pulse from a laser-accelerated electron bunch. This thesis also investigated how the pre-plasma can be manipulated in a controlled way by applying a strong pre-pulse. It will be shown that this changes the electron dynamics and this causes a significant suppression of certain laser-plasma processes, while other processes can be enhanced. These experiments introduce a novel techniques to change the spectral characteristics in controllable way.This could be of great value for future laser-plasma applications and for a further fundamental investigation of the interaction processes between light pulses and dense plasmas. *u is the atomic mass unit
Diese Arbeit widmet sich den grundlegenden Wechselwirkungsprozesse von Laserpulsen relativistischer Intensität an dichten Plasmen. Unter Verwendung extrem dünner Folien wird die Beschleunigung von Ionen und Elektronen sowie die Emission hochenergetischer, kohärenter Strahlung in Hinblick auf ihre parametrischen Abhängigkeiten und eine Optimierung untersucht. Darüber hinaus wurden neue und bedeutende Effekte entdeckt. Die Arbeit zeigt, inwiefern sich die Laserplasmawechselwirkung wesentlich für verschiedene Parameter unterscheidet. Dies betrifft die Stöchiometrie und Dicke des verwendeten Target, die Laserparameter und die Eigenschaften der Plasmagrenzfläche. Die resultierenden Auswirkungen auf die Ionen- und Elektronenbeschleunigung sowie auf die Emission von XUV Strahlung werden dargestellt, Korrelationen für unterschiedliche Parameterbereiche gefunden und Unterscheidungen in den unterliegenden Prozessen getroffen. Durch das Verwenden von ultradünnen Folien aus schweren Elementen (Gold, Silber) wird ein neuer effizienter Beschleunigungsmechanismus für die schweren Ionen gezeigt, der es ermöglicht für Laserintensitäten von 7x10^19 W/cm^2 diese bis auf eine kinetische Energie von bis zu 1 MeV/u* zu beschleunigen. Im Folgenden wird eine detaillierte Analyse des Effekts und der zugrundeliegenden Skalierung zwischen der Ladung der Ionen und ihrer kinetischen Energie gegeben. Darüberhinaus wurden experimentell prinzipielle theoretische Vorschläge getestet: Durch die Verwendung eines Doppeltargets wird die Emission von relativistischen Elektronen verstärkt und Umladungsprozesse in schnellen Ionen induziert. Es wird eine relativistische Rückstreuung eines zweiten Laserpulses an einem laserbeschleunigten Elektronenpaket untersucht. Es wird gezeigt, dass durch den Einsatz eines starken Vorpulses das Vorplasma gezielt und kontrollierbar manipuliert werden kann. Dies führt zu einer signifikanten Änderung in der Elektronendynamik, wodurch gezielt Prozesse der Laserplasmawechselwirkung unterdrückt und andere wiederum verstärkt werden können. Diese Experimente stellen neue Methoden vor, mit der die Emission von Ionen, Elektronen und hochenergetischer Strahlung kontrollierbar in ihren spektralen Eigenschaften geändert werden kann. Dies kann in Hinsicht auf zukünftige Applikationen der lasergetriebenen Beschleunigung, aber auch in Hinblick auf eine grundlegende Erforschung der Wechselwirkung zwischen extrem starken Lichtpulsen und einem Plamsa von großem Nutzen sein. *u ist die atomare Masseneinheit
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6149
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5714
Exam Date: 28-Nov-2016
Issue Date: 2017
Date Available: 9-Feb-2017
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::539 Moderne Physik
DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::535 Licht, Infrarot- und Ultraviolettphänomene
Subject(s): laser plasma dynamics
laser plasma ion acceleration
high harmonic generation
laser plasma electron acceleration
ultrathin polymer foils
Laserplasmawechselwirkung
lasergetriebene Ionenbeschleunigung
höhere harmonische Generation
Laserplasmaelektronenbeschleunigung
ultradünne Polymerfolien
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
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