Dokument: Reflective Phase Imaging of Ultra-Fast Laser-Induced Plasma Expansion on Solid Targets

Titel:	Reflective Phase Imaging of Ultra-Fast Laser-Induced Plasma Expansion on Solid Targets
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=74974
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20261109-170918-9
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Potzkai, Nico Michael [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 101,12 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 06.11.2026 / geändert 06.11.2026
Beitragende:	Prof. Dr. Pretzler, Georg [Gutachter] Prof. Dr. Lehmann, Götz [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 620 Ingenieurwissenschaften
Beschreibungen:	Ultra-short laser-plasma interactions on solid-density targets evolving on femtosecond timescales remain largely inaccessible to conventional plasma diagnostics like spectroscopy, leaving pump-probe experiments as effectively the only viable approach. Overcritical plasma density renders a target optically opaque, preventing transmissive techniques and requiring a reflective approach. This work develops reflective phase imaging by Mach-Zehnder pump-probe interferometry, achieving 30 fs temporal, 15µm spatial, and 0.1rad phase resolution, which is sufficient to resolve the spatial expansion of overcritical plasma on timescales inaccessible to prior reflective techniques. To this end, a theoretical model for laser reflection on expanding plasma gradients was developed, moving beyond the standard critical-density reflection assumption, which neglects the gradual density profile characteristic of a developing plasma. The developed ray-tracing model shows that a laser ray curves through the plasma gradient, rather than traversing linearly and reflecting at a sharp interface as predicted by Fresnel theory. Diffraction simulations further reveal a previously undescribed effect. Finite numerical apertures compress phase and for large wave front deformations, clip the measured phase, limiting the resolvable phase profile. Experimental data from glassy carbon, copper and gold-coated fused silica targets confirm the Multi-fs-simulated plasma size trends and display the predicted phase clipping and phase rings. This limits the reliable interpretation to early plasma times t < 5ps due to available numerical aperture. This work establishes the gradient-ray-tracing correction as a universally applicable refinement, especially in late-stage plasma, and demonstrates that high numerical apertures are essential for reliable measurements beyond the earliest plasma stages, establishing clear design guidelines for future experiments. Ultrakurze Laser-Plasma-Wechselwirkungen auf Festkörper-Targets, die sich auf Femtosekunden-Zeitskalen entwickeln, bleiben für konventionelle Plasmadiagnostik wie Spektroskopie weitgehend unzugänglich, wodurch Pump-Probe-Experimente effektiv den einzigen vielversprechenden Ansatz darstellen. Überkritische Plasmadichte macht ein Target optisch undurchsichtig, wodurch transmissive Verfahren ausgeschlossen werden und ein reflektiver Ansatz erforderlich ist. Diese Arbeit entwickelt reflektive Phasenbildgebung mittels Mach-Zehnder Pump-Probe Interferometrie und erreicht dabei eine zeitliche Auflösung von 30fs, eine räumliche Auflösung von 15µm sowie eine Phasenauflösung von 0.1rad, was ausreicht, um die räumliche Expansion überkritischen Plasmas auf Zeitskalen aufzulösen, die für bisherige reflektive Verfahren unzugänglich waren. Zu diesem Zweck wurde ein theoretisches Modell für die Laserreflexion an expandierenden Plasmagradienten entwickelt, das über die gängige Annahme der Reflexion an der kritischen Dichte hinausgeht, welche das graduelle Dichteprofil eines sich entwickelnden Plasmas vernachlässigt. Das entwickelte Ray-Tracing-Modell zeigt, dass ein Laserstrahl durch den Plasmagradienten gekrümmt wird, anstatt sich linear auszubreiten und an einer scharfen Grenzfläche gemäß der Fresnel-Theorie reflektiert zu werden. Beugungssimulationen zeigen des weiteren den bisher unbeschriebenen Effekt, dass eine endliche numerische Apertur die Phase komprimiert und bei großen Wellenfrontverformungen die gemessene Phase abschneidet, wodurch das auflösbare Phasenprofil begrenzt wird. Experimentelle Daten von Targets aus glasartigem Kohlenstoff, Kupfer, sowie mit Gold beschichtetem Quarzglas bestätigen die Trends der mit Multi-fs simulierten Plasmaexpansion und zeigen die vorhergesagte Phasenkompression sowie Phasenringe. Dies beschränkt die zuverlässige Interpretation auf frühe Plasmazeiten t < 5ps. Diese Arbeit etabliert die Ray-Tracing-Korrektur des Plasmagradienten als universell anwendbare Verfeinerung, die besonders in späten Plasmastadien zum Tragen kommt, und zeigt, dass hohe numerische Aperturen für verlässliche Messungen jenseits der frühesten Plasmastadien essenziell sind, wodurch klare Designrichtlinien für zukünftige Experimente etabliert werden.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Laser- und Plasmaphysik
Dokument erstellt am:	09.11.2026
Dateien geändert am:	09.11.2026
Promotionsantrag am:	09.09.2026
Datum der Promotion:	05.11.2026