entdeckt_01_2016 - Extremtuning für Powerlaser

entdeckt 01.16 TITEL WWW.HZDR.DE // Eine grundlegende Umrüstung sorgt beim Laser „DRACO“ für noch stärkere Pulse. _TEXT . Frank Grotelüschen EXTREMTUNING FÜR POWERLASER Um Teilchen effektiv per Laserplasma-Beschleunigung auf Trab zu bringen, braucht es vor allem eines – Laser mit ausge- sprochen hoher Leistung. Am HZDR übernimmt DRACO diese Aufgabe, das Kürzel steht für „Dresden Laser Acceleration Source“. Die Anlage liefert ultrakurze Pulse mit einer Leistung von 100 Terawatt (TW). Nun wurde der Laser grundlegend erweitert und durch neue Komponenten ergänzt. Die Folge dieses Upgrades: DRACO kann nun auch Pulse von zehnfa- cher Leistung erzeugen, also einem Petawatt. DRACO besteht aus mehreren Kernkomponenten: Ausgangs- punkt ist ein kompakter Titansaphir-Laseroszillator, der pro Sekunde 78 Millionen ultrakurze Laserpulse erzeugt. Jeder dieser Pulse ist nur etwa 30 Femtosekunden lang und besitzt eine Energie von wenigen Nanojoule. Für die Experimente muss diese Energie um das Milliardenfache erhöht werden. Das erledigen optische Verstärker. Im Prinzip sind das weitere Laserstufen, die die Zahl der Lichtteilchen vervielfachen und dadurch die Energie der Laserpulse steigern. Die Herausforderung: Bei einem Hochleistungslaser drohen die verstärkten Lichtpulse derart stark zu werden, dass sie die optischen Elemente beschädigen. Deshalb greifen die Ex- perten zu raffinierten Tricks: Sie weiten die Pulse räumlich auf und vergrößern ihren Querschnitt von wenigen Millimetern bis auf 30 Zentimeter. Dadurch verteilt sich die Energie auf eine größere Fläche und ist weniger konzentriert. Erst am Ende, kurz vor dem Experiment, wird der Strahl wieder gebündelt. Allerdings genügt die räumliche Aufweitung alleine noch nicht. Zusätzlich muss man die Pulse auch zeitlich strecken. Dafür wird der Strahl durch eine Anordnung von optischen Gittern gelenkt. Dieser „Strecker“ dehnt die Blitze von ursprüng- lich 30 Femtosekunden auf eine Nanosekunde, also das 30.000-Fache. Damit verteilt sich die Energie auf einen größe- ren Zeitraum, ihre Konzentration nimmt ab. Am Ende müssen die Pulse dann wieder auf ihre ursprüngliche Länge von 30 Femtosekunden „gestaucht“ werden. Das geschieht in großen Kompressortanks - erneut mithilfe optischer Gitter. Ursprünglich bestand DRACO aus einem „Front-End“-Bereich, der die Pulse erzeugt und bis auf eine Energie von einem Joule verstärkt. Nachgeschaltet war ein Power-Verstärker, der die Energie der Blitze auf etwa sechs Joule anhob. Mit dem Upgrade ist dieser Aufbau nun um einen weiteren Zweig ergänzt worden: Jetzt wird der Strahl, der den Front-End- Bereich verlässt, per Strahlteiler gesplittet. Den ersten Zweig bildet die Endstufe des alten 100-TW-Lasers. Der zweite, neue Zweig besteht aus einem großen optischen Verstärker sowie einem voluminösen Kompressortank. Da der Strahl auf 30 statt auf 10 Zentimeter aufgeweitet werden muss, ist dieser Tank deutlich größer als der des 100-TW-Zweigs. Dieser neue Zweig verstärkt die Pulse auf eine Energie von rund 40 Joule – was bei einer Pulslänge von 30 Femtosekunden einer Leistung im Petawatt-Bereich entspricht. Eine der Herausforderungen beim DRACO-Upgrade bestand in der Fertigung der optischen Elemente. Insbesondere die Herstellung der zwölf Zentimeter großen Titansaphir-Scheiben für die Laserverstärker erwies sich als höchst anspruchsvoll. Der Grund: Um eine gleichmäßige Verstärkung zu ermög- lichen, müssen diese Kristalle eine extrem hohe Qualität zeigen. Erst seit wenigen Jahren schafft es die Industrie, sie in der gewünschten Art und Größe zu züchten. Es gibt bislang nur wenige davon auf der Welt – ein paar stehen in Dresden. Außerdem musste für den neuen Petawatt-Zweig der Front- End-Bereich umgerüstet werden. Der Grund: Jedem der ultrastarken Pulse eilt eine Art Vorhut voraus. Würde man die Energie der Pulse einfach so bis in den Petawatt-Bereich verstärken, würde diese Vorhut derart intensiv, dass sie die Probe vorzeitig zerstört. Eine zusätzliche Filterstufe sorgt für eine bessere Reinigung des Laserstrahls, wodurch die den Pulsen vorauseilende Vorhut klein gehalten werden kann. Schließlich wollten die Experten nach dem Umbau gewährleis- ten, dass beide Zweige gleichzeitig betrieben werden können. Dabei machen sie sich zunutze, dass sowohl die Petawatt- als auch die 100-TW-Pulse aus derselben Quelle gespeist werden. Durch den geschickten Einsatz von Verzögerungsstrecken ge- lingt es, die Pulse aus beiden Zweigen im Experiment aufein- andertreffen zu lassen. Damit sind zum Beispiel Pump-Probe- Experimente möglich: Hierbei wechselwirkt der Puls aus dem einen Laserzweig mit einer Materieprobe, die gleich darauf der Blitz aus dem anderen Zweig beleuchtet und analysiert. Das Upgrade ist ein gemeinsames Entwicklungsprojekt des HZDR und der französischen Firma Amplitude Technologies. Die Arbeiten begannen 2011 mit der Erweiterung des Labor- gebäudes. Anfang 2016 war die Anlage komplett, danach folg- ten erste Tests. Der nächste Meilenstein ist für den August geplant: Dann sollen beim DRACO-Upgrade die wissenschaft- lichen Experimente starten. KONTAKT _Institut für Strahlenphysik am HZDR Prof. Ulrich Schramm u.schramm@hzdr.de

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