PENELOPE

Die Ultrakurzpuls Chirped Pulse Amplification (CPA) Lasertechnologie eröffnete den Weg Spitzenintensitäten von 10²¹ W/cm² und darüber im Laserfokus. Solche Intensitäten ermöglichen Laser-Materie-Wechselwirkungen im relativistischen Intensitätsbereich. Im Rahmen des PENELOPE-Projekts (Petawatt ENergy-Efficient Laser for Optical Plasma Experiments) werden ein Betrieb mit hoher Spitzenleistung auf Petawatt-Niveau und eine Wiederholrate von 1 Hz kombiniert. Das wissenschaftliche Ziel der Laserexperimente mit PENELOPE ist die Erzeugung laserbeschleunigter Protonen- und Ionenstrahlen mit Energien von mehr als 100 MeV, die für zukünftige medizinische Anwendungen relevant sind.

System Übersicht

Das PENELOPE-Projekt, ein vollständig direkt diodengepumptes Lasersystem, das sich in der Entwicklung befindet, zielt auf 150 fs kurze Impulse mit Energien von bis zu 150 J und Wiederholraten von 1 Hz ab. Ein initialer, modengekoppelter Oszillator erzeugt Impulse mit einer Dauer von 60 fs, die wiederum auf 5 ns gestreckt werden. Durch anschließende Verstärkung in mehreren Stufen (High-Gain Broadband Amplifier, HBGA I bis HGBA III) wird die Energie auf das Sub-J-Niveau gesteigert. Die letzten Verstärkungsstufen (High-Energy Power Amplification-Stufen, HEPA I und II) sind darauf ausgelegt, bis zu 200 J zu liefern, bevor die endgültige Rekomprimierung stattfindet. Mit steigender Energie ändern sich die Konzepte zur Verstärkung vor allem aufgrund der drastisch erhöhten erforderlichen Pumpleistung (120 kW bzw. 1,2 MW Spitzenpumpleistung für HEPA I und II). Eine der zentralen Herausforderungen besteht darin, die notwendige Bandbreite zur Unterstützung ultrakurzer Laserpulse aufrechtzuerhalten, das B-Integral zu minimieren und die Qualität der Lichtwellenfront in den letzten Verstärkungsstufen zu bewahren.

Laserverstärker

Beide Verstärkerstufen HEPA I und II basieren auf vollständig abgebildeten, reflektierenden 12 Extraktionsdurchgängen mit sphärischen Spiegeln. Während bei HEPA I 4 Verstärkungsmediumscheiben mit 55 mm Durchmesser verwendet werden, die bis zu 4 ms lang mit 120 kW gepumpt werden, erhöht sich dieser Wert bei HEPA II auf 110 mm bzw. 1,2 MW. Die He-Gastemperatur zur Kühlung der Verstärkungsmediumscheiben kann zwischen 200 K und 300 K eingestellt werden. PENELOPE setzt auf rein abgebildete und vollständig reflektierende Verstärkerdesigns mit sphärischen Spiegeln. Bei HEPA I und II sind diese Spiegel auf einer kreisförmigen Struktur ausgerichtet, die den eingeführten Astigmatismus kompensiert. Der gesamte Aufbau wird unter Vakuumbedingungen gehalten, um Ausfälle in der Nähe der Brennpunkte und Luftturbulenzen zu vermeiden und gleichzeitig die akkumulierte Phasenverzerrung weiter zu reduzieren.

Strecker und Kompressor

3D file. Der Streckeraufbau basiert auf einem Oeffner-Design mit zwei sphärischen konzentrischen Spiegeln M1 (konkav) und M2 (konvex). Es wird ein mehrschichtiges dielektrisches Gitter (MLD) mit einer Liniendichte von 1760 l/mm und einer Beugungseffizienz von 97 % verwendet. Der Stretcher ist für einen Einfallswinkel von 72° und eine Mittenwellenlänge von 1035 nm ausgelegt. Es werden ein vertikaler und ein horizontaler Dachspiegel (RT) implementiert, was zu einer Doppelpasskonfiguration führt (d. h. 8 × Gitterbeugung). Zusammen mit einem Gitterabstand von 550 mm vom Spiegel-Krümmungsmittelpunkt bezüglich M1 und M2 wird ein Streckungsfaktor von 195 ps/nm und eine Hard-Clip-Bandbreite von 50 nm erreicht.

3D file. Der Kompressor basiert auf einem Standard Treacy-Setup, welches zwei 940×420 mm² große Multilayer dielectric (MLD) Gitter enthält. Der Gitterabstand von 2200 mm entspricht exakt dem des Stretcher-Aufbaus. Für höchste Ausgangsimpulsenergien wurde ein Strahldurchmesser von 250 mm gewählt. Zur Verkleinerung auf einen 1-Zoll-Diagnosestrahl wird ein 10:1-Strahlaufweitungsteleskop (BEX I) verwendet. Der Kompressor arbeitet in einer Doppelpasskonfiguration mit einem klappbaren Endspiegel (MF), wobei ein Durchsatz von 88 % erreicht wird.