Super-Laser-Verstärkung mittels Plasmen

Publikation in Scientific Reports

Mit Hilfe eines Plasma-Verstärkers gelang es einem internationalen Physikerteam unter Beteiligung der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU), die Energie eines Laserstrahls um das 100-Millionen-fache zu steigern. Unter Leitung der schottischen University of Strathclyde waren an dem Projekt theoretische HHU-Physiker beteiligt. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in der Zeitschrift Scientific Reports .

Extrem hohe Laserleistungen werden für verschiedene Anwendungsfelder benötigt, etwa für die Beschleunigung von Elementarteilchen in neuartigen Beschleunigern, für die Trägheits-Kernfusion oder auch für die Krebstherapie. Die Primärlaser selbst erreichen nicht die notwendigen Leistungen, der Primärstrahl muss deshalb für die Anwendungen optisch verstärkt werden. Dies geschieht heutzutage vor allem mit Festkörperverstärkern. Der Laserstrahl durchläuft dazu ein energetisch geladenes Verstärkungsmedium und regt es über die sogenannte „stimulierte Emission“ an, selbst Licht abzugeben. Dies erfolgt im Gleichtakt („kohärent“) zum eingestrahlten Laserlicht. Festkörperverstärker sind aber sehr groß und teuer und haben eine niedrige Zerstörungsschwelle: Es besteht die Gefahr, dass diese Geräte aufgrund der hohen Energiedichten beschädigt werden.

Eine vielversprechende Alternative stellen sogenannte „Plasma-Raman-Laserverstärker“ dar. Diese sind erheblich kompakter und kostengünstiger als Festkörperverstärker. Außerdem sind sie sehr robust, da das Verstärkungsmedium – ein Gasplasma – nicht zerstört werden kann. Ein internationales Forscherteam aus Schottland, Irland, Portugal, Südkorea, Tschechien und Deutschland unter Leitung der University of Strathclyde hat nun erstmals einen kurzen Laserstrahl mit einer Energie im Picojoule-Bereich auf bis zu 100 Millijoule verstärkt. Rekord: Der erreichte Verstärkungsfaktor liegt hundertmal höher als bei Hochleistungsverstärkern auf Festkörperbasis. Zur Veranschaulichung: Mit einer solchen 100-Millionen-fachen Verstärkung wäre das Geräusch raschelndem Laubes so laut wie das eines startenden Jumbo-Jets.

Forscher vom Institut für Theoretische Physik I der HHU um Prof. Dr. Alexander Pukhov hatten einen wesentlichen Anteil an dem Projekt. Denn bei den hohen Laserstrahlintensitäten, die erreicht werden sollen, treten so genannte „nicht-lineare“ Phänomene auf, die man aus der alltäglichen Nutzung nicht kennt. Hierzu zählen unter anderem Instabilitäten im Plasma, die zu ungewünschten Nebeneffekten führen können. Dr. John Farmer aus Prof. Pukhovs Arbeitsgruppe entwickelte eine Computersimulation, mit deren Hilfe man die Laserverstärkungsprozesse sehr schnell am Computer untersuchen kann. Man kann dabei verschiedene Parameter variieren, um die optimalen Betriebseinstellungen für den Laserverstärker zu finden.

Zur Presseinformation der University of Strathclyde .

Originalpublikation

G. Vieux, S. Cipiccia, D. W. Grant, N. Lemos, P. Grant, C. Ciocarlan, B. Ersfeld, M. S. Hur, P. Lepipas, G. G. Manahan, G. Raj, D. Reboredo Gil, A. Subiel, G. H. Welsh, S. M. Wiggins, S. R. Yoffe, J. P. Farmer, C. Aniculaesei, E. Brunetti, X. Yang, R. Heathcote, G. Nersisyan, C. L. S. Lewis, A. Pukhov, J. M. Dias & D. A. Jarozynski, An ultra-high gain and efficient amplifier based on Raman amplification in plasma, Scientific Reports , Mai 2017

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Dr.rer.nat. Arne Claussen
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