25.11.2020 • PlasmaLaser

Was Sterne zum Leuchten bringt

Erstmals Ionisierungsgrad sowie räumliche und zeitliche Verteilung der Ionen in hochionisierten Plasmen erfasst.

Des Nachts bei wol­ken­freien Himmel offenbart es sich: leuchtendes Plasma, wohin man auch blickt. Von der Er­for­schung die­ser ioni­sier­ten Ma­terie und ih­rer Wechselwir­kung mit Licht ver­sprechen sich die Wis­sen­schaftler ein tie­fe­res Ver­ständnis der Zu­sammenhänge, die un­ser Uni­ver­sum ge­formt ha­ben. Doch während sich Plas­men im La­bor rela­tiv ein­fach er­zeu­gen las­sen, ist ihre Un­ter­su­chung bis­lang kaum möglich, da es bis­her keine Me­tho­den gibt, den Grad der Ioni­sie­rung und die räumli­che und zeit­liche Ver­tei­lung der Io­nen hin­rei­chend er­fas­sen zu kön­nen.

Abb.: Jenaer Physiker bereiten den Auf­bau für die Unter­su­chung einer...
Abb.: Jenaer Physiker bereiten den Auf­bau für die Unter­su­chung einer Laser-Plasma-Quelle vor. Foto: Jens Meyer (Bild: FSU Jena)

Das kann sich nun je­doch än­dern: Ein For­schungs­team un­ter der Lei­tung von Prof. Dr. Mi­chael Zürch von der Uni­ver­sity of Ca­li­for­nia in Ber­keley entwicklete eine Me­tho­dik, die es er­laubt, die Ent­ste­hung und Wechsel­wir­kung von hoch-io­ni­siertem Kryptonplasma mit ko­hä­ren­tem ult­ra­vi­o­let­ten Licht im Femto­se­kundenbe­reich di­rekt zu be­obachten. Die Ar­beit ist in Ko­opera­tion mit dem Team um Prof. Dr. Christian Spielmann im Institut für Op­tik und Quantenelektronik der Friedrich-Schiller-Uni­ver­sität Jena ent­standen, in dem Mi­chael Zürch bis 2018 selbst ge­forscht hat. Erstau­tor ist der Jenaer Dokto­rand Fre­derik Tuitje.

In ih­rer Ar­beit ver­wenden die For­schen­den ei­nen La­ser-Plasma-Ver­stärker, der achtfach-io­ni­sierte Kryptonio­nen als La­ser­me­dium ver­wen­det. In die­ses Plasma sen­den sie ei­nen ko­hä­ren­ten ext­rem ult­ra­vio­let­ten Sondenpuls, der die Ei­genschaf­ten des Plasmas auf­nimmt, während er sich durch die vom La­ser er­zeugte Plas­masäule aus­breitet. An­schlie­ßend wird die­ser Sondenpuls mit ei­nem neuarti­gen Röntgenlicht-Streuverfahren de­tail­liert ver­messen und lie­fert so ein Ab­bild der räumli­chen Ver­tei­lung von Elektro­nen und Io­nen im Plasma. Diese Me­thode er­möglicht die Messung der Ei­genschaf­ten des Sondenpul­ses, der In­for­ma­tio­nen über das Plasma in sich trägt, mit sehr ho­her Auf­lö­sung. „Der Schlüs­sel zu die­ser Analy­se­me­thode liegt in der Ver­wendung ei­nes Sondenpul­ses mit ei­ner Wellen­länge im ext­re­men UV-Be­reich, die kurz ge­nug ist, da­mit das Plasma transpa­rent wird“, er­klärt Zürch. 

Abb.: Experi­men­teller Auf­bau und Funktions­schema des...
Abb.: Experi­men­teller Auf­bau und Funktions­schema des Laser-Plasma-Ver­stär­kers mit Dia­gnostik zur Auf­nahme der räum­lichen Ver­­teilung von Elek­tro­nen und Ionen im acht­fach-ioni­sierten Krypton­plasma. (aus F. Tutje et al., https://doi.org/10.1038/s41377-020-00424-2)

Als Er­gebnis fan­den die For­scher eine räumli­che Ver­tei­lung von Elektro­nen und Io­nen, die sie in ei­ner Wellen­lei­ter­ge­o­metrie nicht er­wartet hat­ten. Um diese ex­pe­ri­men­tel­len Da­ten er­klä­ren und in­ter­pre­tie­ren zu können, ha­ben Zürch und seine Kol­le­gen ein the­ore­ti­sches Mo­dell ent­wi­ckelt, das die Plasma-Licht-Wechsel­wir­kung in vier Di­mensi­o­nen über mehrere Ska­len mo­del­liert, bis sie eine Überein­stim­mung mit den ex­pe­ri­mentellen Da­ten ge­fun­den ha­ben. „Damit konnten wir das be­o­bachtete Sig­nal auf ein stark nichtli­ne­ares Ver­hal­ten bei der La­ser-Plasma-Wechsel­wir­kung zu­rückfüh­ren, die das hochio­ni­sierte Kryptonplasma er­zeugt“, er­läu­tert Zürch.

Mit die­sem neuen ex­pe­ri­mentellen An­satz las­sen sich bis­her ver­wendete the­ore­ti­sche Mo­delle zur Si­mu­la­tion von La­ser-Plasma-Wechsel­wir­kungen und zur Bil­dung von hochio­ni­siertem Plasma überprüfen. Eine Er­kenntnis aus der vor­lie­genden Ar­beit ist, dass sich mit op­ti­schen Techni­ken nicht be­lie­big io­ni­sierte Plasmen er­zeu­gen las­sen. „Das ent­wi­ckelte Mo­dell er­möglicht eine ge­naue Vor­her­sage der er­reichbaren Be­din­gungen und lässt hof­fen, dass durch ge­eig­nete La­ser­strahlformung sehr defi­nierte Plasmabe­din­gungen er­zeugt werden können“, ord­net Spielmann die Stu­die ein. Und Zürch er­gänzt: „Über ein tie­fe­res Ver­ständ­nis der La­ser-Plasma-Wech­sel­wir­kungen hin­aus ha­ben un­sere Er­kennt­nisse auch Auswir­kungen auf die Ent­wicklung von plasmaba­sierten Röntgenlichtquel­len o­der plasmaba­sierten Fu­si­ons­ex­pe­ri­men­ten.“

FSU Jena / LK

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