HIBEF Laser Systeme

Hochenergie- und Hochintensitätslaser arbeiten an der Front der Wissenschaft. Ihre jüngste Verfügbarkeit ermöglicht rasante Entwicklungen in den Grundlagenforschungsbereichen Laser-Plasma-Interaktion, Materie unter hoher Energiedichte, Metrologie, Biologie und Medizintechnik.

Das HIBEF Nutzer-Konsortium trägt an der HED-Station am Europäischem XFEL zwei hochleistungsfähige optische Laser bei. Durch die Bestrahlung von Materie durch diese Laser werden vorübergehende extreme Zustände von Dichte und Temperaturen erzeugt.

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Der Hoch Intensitäts Laser - Relativistic Laser at Xfel

Der Hochintensitäts- (HI) -Laser ReLaX ist in der Lage, einfach durch den Druck des Lichts Elektronen nahe an der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen und damit ein relativistisches Regime für die Elektronenbewegung zu erreichen.

Die extremen Bedingungen, die im Brennpunkt eines relativistischen Laserpulses erzeugt werden, können anhand eines Beispiels dargestellt werden. Wenn wir die Energiedichte (Energie in einem Volumen) in einem typischen Brennfleck berechnen, den wir im Labor erzeugen, so finden wir ähnliche Werte wie im thermonuklearen Kern unsere Sonne. Der Lichtdruck, der an sich vernachlässigbar ist, erreicht dabei Werte von Milliarden bar (1 bar ist der Umgebungsdruck auf Meereshöhe). Dies ist die Basis für das breite Anwendungspotenzial unseres sehr leistungsstarken Lasers.

Der HI-Laser ist ein handelsübliches 300 TW Titanium Sapphire Lasersystem mit einer Pulsdauer von nur 25 fs. Es ermöglicht in Kombination mit dem XFEL-Strahl neuartige Untersuchungen in Bereichen wie:

• Eigenschaften von hoch-angeregten Festkörpern
• Zustände hoher Energiedichte der Materie
• Test von QED-Effekten
• Ionisationsdynamik bei hohen Intensitäten
• relativistische Laser-Plasma-Wechselwirkung
• Ausbreitung energetischer Teilchen in Materie
• Erzeugung von sekundären hochenergetischen Photonen- und Teilchenstrahlungsquellen
• Anwendung lasergetriebener Strahlungsquellen für Material-, Bio- und Medizinwissenschaften

Das HI-Lasersystem wurde im Q2 2018 vor Ort am XFEL von Amplitude Technologies ausgeliefert und installiert. Der optische Kompressor, Strahltransport und Lasersstrahldiagnostik sind als Beitrag des HZDR entworfen und gebaut. Die Inbetriebnahme- und Integrationsphase von ReLaX am HED-Instrument wurde Q4 2019 erfolgreich beendet.

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Der Hochenergie Laser - DIPOLE 100-X

Der Hochenergie (HE) Laser DIPOLE 100-X ist ein diodengepumter 100 J Ytterbium-YAG Laser, entwickelt von STFC CLF und der Universität Oxford als Teil des britischen HiBEF Konsortiums, welcher die Erzeugung von extremen Dichte- und Druckumgebungen, durch laserinduzierte Schock- und Rampenkompression, ermöglicht. Die hochenergetischen Laserpulse heizen die Oberfläche des Target-Festkörpermaterials auf und ionisieren diese, so dass sich ein schnell expandierendes Plasma bildet. Nach dem Raketenprinzip wird der Impuls auf das Target übertragen und treibt Kompressionswellen durch das verbleibende feste Targetmaterial.

Der dabei erzeugte stark komprimierte Zustand der Materie ist von großer Bedeutung für die terrestrische und planetare Physik, Geophysik und die Materialwissenschaften unter extrem Bedingungen.

Das zeitaufgelöste Abbilden dieser Prozesse mittels XFEL Röntgen Strahls gewährt Einsicht in die Gebiete der:

• Sondierungs- und Randbedingungen ähnlich denen von jupiter- und neptunähnlichen Planetenkernen
• Zustandsgleichungen und exotischen Phasenübergänge
• neuartigen Materialien

Der DIPOLE 100-X wurde Q4 2019 am EuXFEL ausgeliefert und wird zur Zeit wieder im Betrieb genommen.