Dokument: Amplification of ultra-short relativistic laser pulses by stimulated Brillouin scattering

Titel:	Amplification of ultra-short relativistic laser pulses by stimulated Brillouin scattering
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=41417
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20170307-111908-1
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Schluck, Friedrich [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 9,30 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 06.03.2017 / geändert 06.03.2017
Beitragende:	Prof. Dr. Dr. Müller, Carsten [Gutachter] Prof. Dr. Pukhov, Alexander [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Ultrakurze und ultraintensive Laserpulse finden Anwendung in vielen verschiedenen Feldern. Man kann sie zum Beispiel zur Teilchenbeschleunigung beziehungsweise zur Erzeugung sekundärer Strahlung benutzen. Die Anwendungen reichen von Laserwakefieldbeschleunigung für medizinische Verwendung bis zur Erzeugung hoher Harmonischer, Attosekundenpulse und Terahertzstrahlung. Zudem können mit solchen Pulsen ultrarelativistische beziehungsweise quantenelektrodynamische Effekte im Rahmen der Grundlagenforschung untersucht werden. Die schnelle Entwicklung in Hochleistungslasern, welche durch die Erfindung der Chirped Pulse Amplification ausgelöst wurde, erreicht heute ihre Grenzen. Optische Komponenten wie Gitter und Kristalle sind im Zuge der Laserverstärkung der hochenergetischen Strahlung ausgesetzt und nah an ihrem Zerstörungslimit. Um diese Beschränkung zu überwinden ist es vorgesehen, Plasma als Verstärkermedium zu nutzen. Der Ansatz dieser Forschung ist es, Plasmawellen als Energieüberträger zwischen zwei Laserpulsen zu benutzen. Der typischerweise lange, hochenergetische Pumppuls soll an einer solchen Plasmawelle in einen typischerweise kurzen, niederenergetischen Seedpuls streuen, wobei dieser Puls in seiner Dauer möglichst kurz bleiben soll. Die Plasmawelle kann entweder eine hochfrequente Langmuir- oder eine niederfrequente ionenakustische Oszillation sein. Im ersten Fall spricht man von Raman-Streuung, im zweiten von Brillouin-Streuung. Insbesondere das sogenannte strong coupling regime hat in den letzten Jahren vermehrt neues Interesse erfahren. Hier ist die Plasmawelle eine getriebene Quasimode des Plasmas mit einer mittelhohen Frequenz. Dieser Streumechanismus besitzt einige Vorteile gegenüber Raman-Verstärkung oder herkömmlicher, weak coupling Brillouin-Verstärkung. Die Laserpulse müssen hier nicht gegeneinander in ihrer Frequenz verstimmt werden, der verstärkte Puls ist mit ca. 100 fs Dauer kurz, der Vorgang ist gegenüber Dichteinhomogenitäten im Plasma robust und fast die komplette Energie des Pumppulses kann auf den Seed übertragen werden. Wir untersuchen die kinetische Dispersionsrelation für weak und strong coupling Brillouinverstärkung für Elektronen-Protonen und Elektronen-Positronen Plasmen und benennen die Limits einer Fluidbeschreibung. Anschließend studieren wir den Übergang zwischen weak und strong coupling und seine Charakteristika anhand eines neuen Dreiwellenmodells. Danach diskutieren wir den Einfluss des Chirps des Pumps auf den verstärkten Seed und die Relevanz in Bezug auf die Effizienz des Energieübertrags. Da die vorliegende Arbeit an der Schnittstelle zwischen Experiment und Theorie entstanden ist, setzen wir zuletzt die Ergebnisse in den Kontext aktueller und zukünftiger Experimente. Ultra-short ultra-intense laser pulses find applications in many different fields. Be it in direct usage, for example as a driver for particle acceleration, or to generate secondary radiation. Possible deployments are laser-wakefield acceleration for medical purposes and the generation of high harmonics, attosecond pulses and terahertz radiation, respectively. Furthermore, ultra-relativistic or quantumelectrodynamic effects can be investigated using these laser pulses in fundamental research. However, the fast development in available highest peak power triggered by the invention of Chirped Pulse Amplification reaches its limits today. During laser amplification, optical components such as gratings and crystals are affected by the highly energetic radiation and one needs to preserve their damageless operation. To overcome the limits given by the destruction threshold of such components, plasma as an amplfication medium is proposed. The idea is to use plasma waves as an energy transmitter between two laser pulses. The typically long, high energetic pump pulse is intended to scatter off this plasma wave into the typically short, low energetic seed pulse, while the latter ideally stays short in duration. The plasma wave can be either a high frequency Langmuir oscillation or a low frequency ion acoustic wave. The former scattering mechanism is known as Raman scattering and the latter is called Brillouin scattering. Especially the so-called strong coupling regime has received increased interest in recent years. In this process, the plasma wave is a driven quasi-mode of the plasma with average frequency. This scattering mechanism bears many advantages over Raman amplification or weak coupling Brillouin amplification. Here, the laser pulses need no detuning, are relatively short ca. 100 fs, it is a scheme robust against density inhomogenities and almost all energy can be transmitted from the pump to the seed pulse. We study the kinetic dispersion relation for weak and strong coupling Brillouin amplification for electron-proton and electron-positron plasmas and name the limits of the fluid description. In the next step, we investigate the transition from weak to strong coupling and its characteristics with a newly derived three wave interaction model. The influence of the pump chirp on the amplified seed and energy transmission efficiency is discussed subsequently. As this work at hand was done at the junction between experiments and theory we lastly put the analysis made into the context of current and future experiments.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Theoretische Physik
Dokument erstellt am:	07.03.2017
Dateien geändert am:	07.03.2017
Promotionsantrag am:	21.12.2016
Datum der Promotion:	10.02.2017