Super-Laser-Verstärkung mittels Plasmen

  • 04. July 2017

Kostengünstige Alternative zu Festkörperverstärkern.

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. Ihre Er­geb­nisse haben die Wissen­schaftler unter Lei­tung der schottischen University of Strathclyde in der Zeit­schrift Scientific Reports ver­öffent­licht.

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Abb.: Die Experimente wurden am Hoch­leistungs­laser Vulcan an den Rutherford Appleton Laboratorien bei Oxford durchgeführt. Zu sehen ist die Experiment­kammer mit dem Plasma-­Raman-­Laserverstärker. (Bild: University of Strathclyde)

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.

HHU / LK

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