14.02.2023

Plasmaspiegel für extreme Laserpulse

Regelmäßige Plasmastrukturen als Spiegel für Hochleistungslaser.

Um Laserlicht zu lenken, braucht es nicht unbedingt materielle Spiegel. Ein Forschungs­team unter britischer Leitung und mit Beteiligung von Götz Lehmann von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) hat ein grundlegend neues Konzept experimentell verifiziert: die Licht­reflexion an regelmäßigen Plasma­strukturen. Diese Methode kann insbesondere für kompakte Hochleistungs­laser wichtig werden.

 

Abb.: Experimental­aufbau im Labor von Dino Jaroszynski an der Central Laser...
Abb.: Experimental­aufbau im Labor von Dino Jaroszynski an der Central Laser Facility am Rutherford Appleton Laboratory. (Bild: U. Strathclyde)

In immer mehr Forschungs- und Anwendungsbereichen werden Laser mit extrem hohen Leistungen benötigt. Ein prominentes Beispiel hierfür sind die Durchbrüche bei der laser­getriebenen Trägheits­fusion, die das US-amerikanische Lawrence Livermore National Laboratory im Dezember 2022 vermeldete. Die nächste Generation von gepulsten Ultrahoch­leistungs­lasern wird für Leistungs­bereiche von Hunderten von Petawatt bis Exawatt ausgelegt. Gleichzeitig sollen die Aufbauten immer kompakter werden; sie sollen nicht mehr die Größe von Sporthallen haben, sondern in Universitäts­laboren untergebracht werden können.

Die Entwicklung solch kompakter und leistungsstarker Anlagen stellt große Anforderungen an die optischen Elemente in solchen Lasern, die die Laserstrahlen führen und formen. Typischer­weise werden hierfür Gitter und Spiegel genutzt. Bei den sehr hohen Leistungs­dichten und kleinen Abmessungen kann aber die Licht­leistung so groß werden, dass die Festkörper­spiegel beschädigt oder sogar zerstört werden.

Ein gänzlich neues Konzept, der „Geisterspiegel“, kommt ohne klassisch-spiegelnde Festkörper­oberflächen aus. Verwendet werden sollen Plasmen – also Gase, in denen die Atome vollständig ionisiert sind –, in denen kurzzeitig regelmäßige Strukturen induziert werden. Diese können ebenfalls Licht reflektieren oder anderweitig manipulieren. Das Konzept wurde 2016 theoretisch von Karl-Heinz Spatschek und Götz Lehmann am Institut für Theoretische Physik I der HHU erarbeitet. Die Physiker zeigten, dass es möglich ist, mittels Lasern reflektierende Plasma­strukturen zu erzeugen.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Dino Jaroszynski von der schottischen Universität in Strathclyde hat nun unter Beteiligung von Götz Lehmann das Konzept experimentell bestätigt. Sie haben einen solchen „Geisterspiegel“ entwickelt und getestet. Lehmann wirkte bei der Konzeption und der Daten­interpretation im Rahmen des Düsseldorfer Modells mit.

Das Team realisierte mithilfe gegenläufiger Laserstrahlen einen geschichteten Plasma­spiegel. Die Laserstrahlen erzeugen dazu im Plasma eine Schwebungs­welle, die wiederum die Elektronen und Ionen im Plasma in die regelmäßige Gitterstruktur treibt. Eine solche Struktur wirkt als sehr robuster Spiegel mit hohem Reflexions­vermögen.

Diese Spiegel sind sehr flüchtig, sie existieren nur für einige bis wenig hundert Pikosekunden. Dies reicht aber aus, um die ungleich kürzeren Hoch­leistungs­laserpulse – die eine Länge im Femtosekunden­bereich haben – zu reflektieren. Jaroszynski: „Unsere Arbeit bringt den Stand der Technik im Bereich der Hochleistungs­laser erheblich voran. Die so erzeugbaren robusteren und kompakteren optischen Komponenten können einen Paradigmen­wechsel bei Hochleistungs­lasern bewirken.“

Gregory Vieux aus Strathclyde, der die Experimente am Rutherford-Appleton-Laboratory (RAL) in Chilton / UK maßgeblich mit konzipierte und durchführte, sagt: „Die Plasmen halten Intensitäten von bis zu 1018 Watt pro Quadratzentimeter stand. Dies übersteigt die Zerstörungsschwelle von konventionellen optischen Komponenten um vier bis fünf Größen­ordnungen. Dadurch wiederum kann die Größe optischer Elemente um zwei oder drei Größen­ordnungen reduziert werden, so dass Optiken – die sonst die Größe von einem Meter haben – auf Millimeter oder Zentimeter schrumpfen könnten.“

Lehmann: „Die Arbeit zeigt das gute Zusammenspiel von Theorie und Experiment. Es ist erfreulich, dass wir die in Düsseldorf gelegten Grundlagen nun so eindrucksvoll experimentell bestätigt finden.“ An den Forschungs­arbeiten waren neben den Universitäten Strathclyde und Düsseldorf auch die Universitäten in Frankfurt und in Lissabon sowie das GSI Helmholtz­zentrum für Schwerionen­forschung in Darmstadt, das Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) in Südkorea und das RAL beteiligt. Die relativistische Laser-Plasma-Physik ist ein Schwerpunkt im Fach Physik an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf.

HHU / DE

 

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