Laserplasmaphysik

Lasererzeugte Plasmen werden seit nunmehr drei Jahrzehnten untersucht, anfangs überwiegend im Rahmen der Trägheitskernfusion. Dabei wurden zur Plasmaerzeugung insbesondere Hochleistungslasersysteme mit vergleichsweise langer Laserpulsdauer (in der Größenordnung von Nanosekunden) und relativ hoher Energie im Laserpuls eingesetzt. Ende der achtziger Jahre begann dann zunehmend der Einsatz von wesentlich weniger aufwendigen kompakten Kurzpulslasersystemen zur Plasmaerzeugung, mit denen heutzutage in einem "normalen Universitätsforschungslabor" im Routinebetrieb Intensitäten von mehr als 1018 W/cm2 erzeugt werden können.

 

Die hohe Intensität des Laserpulses auf der Targetoberfläche (und die damit verbundenen extrem hohen elektrischen Felder, die Größenordnungen höher als die inneratomaren Feldstärken sein können) und die sehr kurze Dauer der Laserpulse führen zu extremen Bedingungen, die z.T. völlig neuartig in der Physik sind. Aufgrund der sehr kurzen involvierten Zeitskalen sind die sehr heißen und dichten Plasmen zudem nicht im Gleichgewicht. Als Beispiel für den starken Einfluß des elektrischen Laserfeldes sei der ponderomotorische Druck genannt, der eine ganz wesentliche Rolle bei der Wechselwirkung des Laserpulses mit der Materie spielt und an der Plasmaoberfläche in der Größenordnung von Mega- oder sogar Gigabar liegt.Ein weiterer Einfluß der hohen Laserintensität ist, daß die kinetische Energie der im Laserfeld schwingenden Plasmaelektronen ("Quiverenergie") sehr groß ist und eine wesentliche Bedeutung für die Wechselwirkung, z.B. die Absorption und die Erzeugung von hochenergetischen Elektronen, hat. (Beispiel: bei einer Laserwellenlänge von 1 μm und einer Intensität von 1018 W/cm2 ist die Quiverenergie ca. 100 keV).

Typische Diagnostiken für die Untersuchung der Wechselwirkung intensiver Laserpulse mit Materie:

Der Einfluß des hohen ponderomotorischen Druckes wird z.B. im Elektronendichteprofil (als Funktion von Ort und Zeit) sichtbar. Hydrodynamische Simulation für einen p-polarisierten 400 fs, 248 nm Laserpuls bei einem Einfallswinkel von 45° und einer Intensität von 1016 W/cm2:

In diesem sehr aktuellen Gebiet wird weltweit Grundlagenforschung betrieben.
Darüber hinaus ergeben sich jedoch auch viele Anwendungsmöglichkeiten:

Ausgewählte Literaturhinweise

P.Gibbon, E. Förster:

Short-pulse laser-plasma interactions,

Plasma Phys. Control. Fusion 38 (1996)

769-7930

U. Teubner, W. Theobald, C. Wülker, E. Förster:

X-Ray Spectra from High-Intensity Subpicosecond Laser Produced Plasmas

Phys. Plasmas 2 (1995)

972-9810

U. Teubner, P. Gibbon, E. Förster, F. Falliès, P. Audebert, J. P. Geindre, J. C. Gauthier:

Subpicosecond KrF*-Laser Plasma Interaction at Intensities between 1014 W/cm2 and 1017 W/cm2,

Phys. Plasmas 3 (1996)

2679-26850

U. Teubner, I. Uschmann, P. Gibbon, D. Altenbernd, E. Förster, T. Feurer, W. Theobald, R. Sauerbrey, G. Hirst, M. H. Key, J. Lister, D. Neely:

Absorption and Hot Electron Production by High Intensity Femtosecond UV-Laser Pulses in Solid Targets,

Phys. Rev. E 54 (1996)

4167-41770

J. Jasny, U. Teubner, W. Theobald, C. Wülker, J. Bergmann, F. P. Schäfer:

A Single-Shot Spectrograph for the Soft X-Ray Region,

Rev. Sci. Instrum. 65 (1994)

1631-16350

D. Altenbernd, U. Teubner, P. Gibbon, E. Förster, P. Audebert, J. P. Geindre, J. C. Gauthier, G. Grillon, A. Antonetti:

Soft X-Ray Brilliance of Femtosecond and Picosecond Laser-Plasmas,

J. Phys. B 30 (1997)

3969-39820

U. Teubner, D. Altenbernd, P. Gibbon, E. Förster, A. Mysyrowicz, P. Audebert, J.-P. Geindre, J. C. Gauthier, R. Lichters, J. Meyer-ter-Vehn:

Observation of VUV Radiation at Wavelengths in the wp- and 2wp- Wavelength Range Emitted from Femtosecond Laser-Plasmas,

Opt. Comm. 144 (1997)

217-2210

A. A. Andreev, U. Teubner, I. V. Kurnin, E. Förster:

Prospects of "Water Window" X-Ray Emission from Femtosecond Laser Plasmas,

Appl. Phys. B 70 (2000); Online Publication: November 30, 1999 (DOI 10.1007/s003409900154)

505-515;0

U. Teubner, G. Kühnle, F. P. Schäfer

Detailed study of the effect of a short prepulse on soft X-ray spectra generated by a high intensity KrF*-laser pulse

Appl. Phys. B 54 (1992)

493-4990

U. Teubner, U. Wagner, E. Förster

Sub-Ten-Femtosecond Gating of Optical Pulses

J. Phys. B 34 (2001)

2993-30020

K. Michelmann, U. Wagner, T. Feurer, U. Teubner, E. Förster, R. Sauerbrey

Measurement of the Page Function of an Ultrashort Laser Pulse

Opt.Comm. 198 (2001)

163-1700