Dokument: Intensitäts- und Fluenzabhängigkeit der Wechselwirkung schwach relativistischer, ultrakurzer Laserpulse mit Festkörpern
| Titel: | Intensitäts- und Fluenzabhängigkeit der Wechselwirkung schwach relativistischer, ultrakurzer Laserpulse mit Festkörpern | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=54241 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20200930-092619-8 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Deutsch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | M.Sc. Hagmeister, Bastian [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Pretzler, Georg [Gutachter] Dr. Lehmann, Götz [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik | |||||||
| Beschreibungen: | Die Wechselwirkung eines schwach relativistischen, ultrakurzen Laserpulses mit einer Festkörperoberfläche ist ein hochkomplexer Prozess, der von vielen verschiedenen Parametern abhängt und bis heute noch nicht vollständig verstanden ist. Durch die hohen Intensitäten wird auf der Oberfläche während der Wechselwirkungszeit ein dichtes Plasma erzeugt, an dem der Laserpuls reflektiert wird (Plasmaspiegel). Während dieser Wechselwirkung kann es zur Erzeugung Hoher Harmonischer kommen, die das Target zusammen mit dem Laserpuls verlassen. Ebenso werden Elektronen und Ionen beschleunigt und schlussendlich Material vom Target ablatiert, wodurch ein Krater entsteht.
In dieser Arbeit wird untersucht, wie verschiedene Laserparameter sowohl diesen Erzeugungsprozess der Hohen Harmonischen als auch die gesamte Dynamik der Wechselwirkung beeinflussen können. Dabei wird insbesondere darauf eingegangen, wie die Interaktion durch wesentlich schwächere Lichtanteile im Untergrund des Laserpulses verändert wird, die den Festkörper bereits vor dem Lichtpuls erreichen. Für diese Untersuchungen werden die ultrakurzen Laserpulse (< 8 fs) des Lasersystems PHASER genutzt, die fokussiert eine Spitzenintensität von bis zu 2*10^18 W/cm^2 erreichen können. Durch kleine Änderungen am System können sowohl die Intensität als auch die Pulsdauer variiert werden, wodurch es möglich ist, genaue Abhängigkeiten zu ermitteln. Mittels einer detaillierten Analyse der auftretenden Veränderungen im reflektierten Laserlicht konnten eindeutig unterschiedliche Regime der Wechselwirkung bestimmt werden, die von der Fluenz in dem Untergrund abhängen. Für die unterschiedlichen Targetmaterialen wurden Grenzfluenzen ermittelt, ab denen der Regimewechsel einsetzt. In dem ersten Regime bleibt die Oberflächenstruktur des Targets erhalten und es bildet sich durch den Laserpuls ein Plasmaspiegel aus, an dem Harmonische erzeugt werden. Es wird gezeigt, dass die Harmonischenerzeugung ab einer gewissen Untergrund-Fluenz einbricht, was auf eine vorherige Veränderung auf der Targetoberfläche zurückzuführen ist. Mittels einer Änderung des Timings im Lasersystem kann eindeutig gezeigt werden, dass dies auf die Fluenz im Nanosekundenbereich zurückzuführen ist. Weitere Untersuchungen der Harmonischen zeigen die theoretisch vorhergesagte Abhängigkeit der Erzeugung vom Plasmagradienten, sowie den deutlichen Einfluss der Pulskompression auf das Harmonischenspektrum. Ebenso können verschiedene Erzeugungsprozesse der Harmonischen eindeutig identifiziert werden. Im zweiten Regime findet mit steigender Fluenz eine immer größere Veränderung der Wechselwirkung statt. Es wird gezeigt, dass sich als erstes eine dünne Plasmablase auf der Oberfläche ausbildet, die dafür sorgt, dass nicht alle Strahlanteile ihre Divergenz behalten. Danach bildet sich durch den Materialabtrag eine Vertiefung aus, die das Laserlicht stark aufbeugt. Für Fluenzen, die viel größer als die Grenzfluenz sind, wird die Vertiefung schließlich so groß, dass die gesamte Wechselwirkung darin stattfindet. Dabei wird die Reflexion des Lasers grundlegend verändert. Es kommt abhängig von dem durchlaufenen Gradienten im gesamten Strahl zu unterschiedlich starker Ionisations-Blauverschiebung und zur Erzeugung Hoher Harmonischer. Durch die Form der Vertiefung finden diese Prozesse an verschiedenen räumlichen Positionen statt, was zur Folge hat, dass die Strahlanteile mit unterschiedlich starker Blauverschiebung in unterschiedliche Raumrichtungen reflektiert werden. An der Position mit dem steilsten Einfallswinkel des Laserpulses ist der Gradient am kürzesten und es können Hohe Harmonische erzeugt werden, die aufgrund der Geometrie der Vertiefung in die Targetnormale emittiert werden. Diese Arbeit bietet somit einen tiefen Einblick in die Dynamik der Wechselwirkung von ultrakurzen Laserpulsen mit Festkörperoberflächen. Außerdem wird zum besseren Verständnis der Harmonischenerzeugung beigetragen und mittels PIC-Simulationen eine neue Erzeugungsmöglichkeit präsentiert, die es ermöglicht, räumlich getrennte Harmonische zu erzeugen.The highly complex process of a weakly relativistic, ultrashort laser pulse interacting with the surface of a solid depends on many different parameters and is not yet completely understood. Due to the high intensities a dense plasma is created on the surface during interaction. The incoming laser pulse is reflected by this plasma which is therefore referred to as plasma mirror. While the interaction takes place, high harmonics can be generated, which are emitted from the target together with the reflected laser pulse. Furthermore, electrons and ions are accelerated and material is ablated from the target, which leads to the formation of a crater. In this work, the influence of the laser parameters is investigated, both on the generation of the high harmonics and on the entire dynamic of the interaction. The main emphasis is on the modification of the interaction due to low-intensity light components in the underground of the laser pulse, which reach the solid before the main light pulse. The ultrashort laser pulses (< 8 fs) generated by the laser system \textsc{Phaser} are used for these experiments. After focussing they can have maximum intensities up to 2*10^18 W/cm^2. Small modifications in the system allow variation of both the intensity and the pulse duration, thus enabling a thorough examination of the dependencies. Different regimes of the interaction are distinguished by a detailed analysis of the changes observed in the reflected laser light. These regimes depend on the fluence of the nanosecond-duration underground of the laser pulse. The threshold fluences setting the borders between the different regimes were determined for several target materials. In the first regime, the surface structure of the target is conserved and a plasma mirror is generated by the laser pulse generating high harmonics. It is demonstrated that the generation of high harmonics stops at a certain underground fluence. This can be explained by an ongoing modification of the target surface. Using a variation of the timing in the laser system, it could be verified that this can be attributed to the fluence in the nanosecond timescale. Further investigations of the high harmonics show the theoretically predicted dependency of the generation on the plasma gradient, as well as the influence of the pulse compression on the spectrum of the high harmonics. Likewise, different generation processes could be identified unambiguously. In the second regime, the transformation of the interaction grows with increasing fluence. It is demonstrated that at first a thin plasma blister develops on the surface which causes selective pointing variations within the main pulse. When the fluence becomes higher, an indentation is formed due to the removal of material, which diffracts the laser light. This indentation expands with further increasing fluence, such that the entire interaction occurs in it. Hence, the reflexion of the laser is fundamentally modified. Depending on the gradient a different amount of ionization blue shift takes place in the laser beam, as well as the generation of high harmonics. Owing to the form of the indentation, these processes happen at different spatial positions leading to the effect that different light components with varying blue shift are reflected in separate directions. The shortest gradient length can be found at the position with the steepest angle of incidence of the laser pulse. The high harmonics generated at this spot are emitted in the normal direction with respect to the target due to the geometry of the indentation. Therefore, this work yields a deep insight into the dynamic of the interaction of ultrashort laser pulses with the surfaces of solids, which also contributes to understanding the generation process of high harmonics. Furthermore, PIC simulations are presented which demonstrate a new possibility for creating high harmonics is presented which enables the generation of spatially separated high harmonics. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Laser- und Plasmaphysik | |||||||
| Dokument erstellt am: | 30.09.2020 | |||||||
| Dateien geändert am: | 30.09.2020 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 30.06.2020 | |||||||
| Datum der Promotion: | 18.08.2020 |
