Schneller Kraftprotz

Physik Journal - ein 300-Terawatt-Laser erreicht hohe Energiedichten und Pulswiederholraten.

Um den strahlungsdominierten Bereich der Elektron-Licht-Wechselwirkung zu erforschen, sind Laser mit Leistungsdichten in der Größenordnung von 10²³ W/cm² nötig; die Erforschung von Phänomenen wie relativistische Ionenplasmen oder die Vakuumpolarisation erfordert sogar 10²⁴ bis 10²⁶ W/cm². Auch bei der Entwicklung besserer Teilchenstrahlen für die Krebstherapie kommt hohen Laserintensitäten eine wichtige Rolle zu. Jenseits von 10²² W/cm² lassen sich die Leistungsdichten jedoch nur durch höhere Laserenergien erreichen, da die Pulsdauern kaum unter 10 fs zu drücken sind.

Eine Arbeitsgruppe um Karl Krushelnick von der University of Michigan in Ann Arbor hat nun einen 300-TW-Laser vorgestellt, der eine Leistungsdichte von rund 2×10²² W/cm² und eine Wiederholfrequenz von 0,1 Hz erreicht. Zwar seien in der Literatur bereits funktionierende Petawatt-Laser beschrieben worden, allerdings hätten sie nur Einzelpulse abgeben können, so die Wissenschaftler.

Abb.: Der 300-TW-Laser der University of Michigan erreicht eine Leistungsdichte, die ihre Entwickler für rekordverdächtig halten. (Quelle: Anatoly Maksimchuk)

Krushelnick und seine Kollegen rüsteten ihren 50-TW-Laser auf, der mit einer „gechirpten“ Pulsverstärkung arbeitet. Damit lassen sich Laserpulse hoch verstärken, ohne nennenswerte Nichtlinearitäten oder Schäden an optischen Elementen. Die Laserpulse werden dabei zeitlich gedehnt, verstärkt und wieder komprimiert. Die Vorverstärker des neuen Lasersystems heben die Strahlenergie des Ausgangsoszillators zunächst in den Mikrojoule-Bereich. Durch eine weitere Verstärkerstufe erreicht die Strahlenergie 1 J, bevor sie in der dritten und letzten Titan:Saphir-Verstärkereinheit auf 17 J steigt. Ein frequenzverdoppelter Neodym:Glas-Laser, den die Forscher entwickelt haben, pumpt die letzten beiden Verstärker. Das 300-TW-Lasersystem emittiert bei 800 nm Wellenlänge.

Nachdem der Strahl wieder auf 30 fs komprimiert worden ist, fokussieren ihn die Wissenschaftler mit einem Parabolspiegel auf einen Fleck mit 1,3 μm Durchmesser. Ein adaptiver Spiegel, den die Signale eines hinter dem Parabolspiegel gelegenen Wellenfrontsensors steuern, kompensiert die Bildfehler der Hauptoptik. Käme als Hauptoptik ein Parabolspiegel mit noch kürzerer Brennweite zum Einsatz, würde dies die Leistungsdichte weiter steigern.

Michael Vogel

Quelle: Physik Journal, April 2008, S. 14

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  V. Yanovsky et al., Ultra-high intensity- 300-TW laser at 0.1 Hz repetition rate, Optics Express 16, 2109 (2008).
  http://dx.doi.org/10.1364/OE.16.002109