Dokument: Untersuchung von Plasma-Harmonischen im sub-relativistischen Regime mittels few-cycle-Laserpulsen

Titel:	Untersuchung von Plasma-Harmonischen im sub-relativistischen Regime mittels few-cycle-Laserpulsen
Weiterer Titel:	Investigation of plasma-harmonics in the sub-relativistic regime by means of few-cycle laser pulses
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=35704
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20150928-092008-2
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Stelzmann, Christian [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 16,63 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 24.09.2015 / geändert 24.09.2015
Beitragende:	Prof. Dr. Pretzler, Georg [Gutachter] Prof. Dr. Görlitz, Axel [Gutachter]
Stichwörter:	Plasma, Laser, Harmonische, Gradient, Simulationen, sub-relativistisch, few-cycle, ultrakurz, Femtosekunden, coherent wake emission
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Pulse mit einer Dauer von deutlich unter einer Femtosekunde sind ein wichtiges Werkzeug, um sehr schnell ablaufende Prozesse in pump-probe-Experimenten sichtbar zu machen und zu untersuchen. Eine Möglichkeit, solche Pulse zu erzeugen, sind Plasma-Harmonische, die bei der Wechselwirkung eines intensiven Laserpulses mit einem dichten Plasma entstehen. Dabei sind subtile Eigenschaften des Plasmas von entscheidender Bedeutung für die Effizienz dieser Erzeugung. In der vorliegenden Arbeit werden diese Plasmaeigenschaften mittels few-cycle-Laserpulsen untersucht. Die wichtigste Diagnostik war dabei ein eigens konstruiertes und gebautes Spektrometer, das die Strahlung detektierte, die bei der Interaktion eines fokussierten Lasers mit einem Festkörpertarget entstand. Durch Verwendung eines akusto-optischen Modulators (Dazzler) wurden im Laser Vorpulse eingeführt, mit denen über den zeitlichen Abstand zum Hautpuls die Gradientenlänge des Plasmas verändert wurde. Durch systematische Variation dieses Vorpulsdelays wurde die optimale Gradientenlänge für die Erzeugung der Harmonischen bei ungefähr L / 40 gefunden, was gut mit einem theoretischen Skalierungsgesetz übereinstimmt. Auch der gemessene Verlauf der Erzeugungseffizienz der Harmonischen deckte sich mit diesem Gesetz. Ebenso wurde die Abhängigkeit des Messsignals von der Targetposition relativ zum besten Fokus vermessen. Dabei wurde ein gesteigertes Messsignal bei einer Position im konvergenten Strahl gefunden, außerdem eine Verminderung der spektralen Breite der Harmonischen bei Verschiebung in eine beliebige Richtung. Durch Simulationen mit dem hydrodynamischen Code MULTI-fs wurde festgestellt, dass man zur Ermittlung der Plasmaskalenlänge mit diesem Code eine genauere Kenntnisse aller Vorpulse braucht, als sie zur Verfügung steht. Es wurde jedoch gezeigt, dass auch bei Existenz weiterer Vorpulse ein linearer Zusammenhang zwischen Vorpulsdelay und Gradientenlänge existiert. Mittels eines Particle-in-Cell-Codes wurden Simulationen durchgeführt, um die experimentellen Ergebnisse zu reproduzieren und zu erklären. Die Abhängigkeit der Harmonischenerzeugung von der Gradientenlänge konnte sowohl bezüglich des Maximums als auch des Kurvenverlaufs reproduziert werden. Die Steigerung des Signals im konvergenten Strahl konnte reproduziert und durch eine geringere Divergenz der Harmonischen erklärt werden. Durch Vergleich von Experiment und Simulation konnte eine Methode gefunden werden, die Plasmaskalenlänge zu bestimmen, ohne den exakten Pulszug zu kennen. In dieser Arbeit konnten somit zum einen Optimierungsmöglichkeiten für die Erzeugung und Verwendung von Harmonischen mit few-cycle-Laserpulsen aufgezeigt werden und zum anderen ein Verfahren zur Bestimmung der im Experiment vorhandenen Skalenlänge vorgeschlagen werden, das auch für Experimente an anderen Lasersystemen von großer Relevanz sein kann. Pulses of sub-femtosecond duration are an important tool in pump-probe experiments, making it possible to uncover and analyze ultrafast processes. One way of creating such pulses is the interaction of an intense laser with a dense plasma, generating plasma-harmonics. Subtle plasma properties are crucial for this process to work efficiently. In this thesis, these plasma properties are investigated by means of few-cycle laser pulses. The main diagnostics was a newly designed and built spectrometer for detecting the radiation generated when the laser is focused onto a solid target. The plasma scale length was changed by varying the delay of pre-pulses introduced in the laser by means of an acusto-optical modulator (Dazzler). By systemically scanning the pre-pulse delay, the gradient scale length with the highest efficiency was found to be about L/40. This agrees well with a theoretical scaling law, as does the measurement of the efficiency's curve progression. Investigating the measuring signal's dependence on the target position relative to the best focus, it was found to be maximum in the convergent beam. In addition, it was seen that the harmonics' spectral width decreases for a target position other than the focus. While doing simulations with the hydrodynamic code MULTI-fs, it was found that for determining the plasma scale length using this code one has to have a much better knowledge of all pre-pulses than is available. Though it was shown, that independent of additional pre-pulses there is a linear dependence between the pre-pulse delay and the gradient scale length. Simulations by means of a particle-in-cell code were performed in order to reproduce and explain the experimental findings. The dependence of the harmonic generation on the gradient scale length was reproduced both in regards to the maximum and the curve progression. The increase in the signal for a target position in the convergent beam was reproduced and then explained with a reduced divergence of the harmonic beam. By comparison of the experimental and the simulated data a method could be found to determine the gradient scale length without the exact knowledge of the pulse train. In conclusion, this thesis highlights ways to optimize the generation and usage of harmonics from few-cycle-laser pulses and also introduces a method to determine the plasma scale length, which should be of great relevance to experiments using other laser systems.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Laser- und Plasmaphysik
Dokument erstellt am:	28.09.2015
Dateien geändert am:	28.09.2015
Promotionsantrag am:	10.07.2015
Datum der Promotion:	21.09.2015