Characterisation of a laser wakefield accelerator with ultra-short probe pulses

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Aspekte der Elektronenbeschleunigung mithilfe eines Hochintensitätslasers in einem unterdichten Plasma untersucht. Der zugrundeliegende Beschleunigungsmechanismus bei dem durch den Laserpuls eine Plasmawelle erzeugt wird, die zusammen mit dem Laserpuls durch das Medium propagiert, nennt sich Laser Wakefield Acceleration. Aufgrund der gemeinsamen Propagation des Laserpuses und der Plasmawelle bewegt sich das longitudinale alternierende elektrische Feld der Plasmawelle mit nahezu Lichtgeschwindigkeit, sodass Elektronen, die im Feld dieser Plasmawelle eingefangen werden, auf relativistische Energien beschleunigt werden können. Während grundlegende Prinzipen, wie die Entstehung der Plasmawelle, die Injektion von Elektronen in die beschleunigende Phase der Welle und Grenzen des Beschleunigungsprozesses bereits bekannt sind, ist der genaue Ablauf der nichtlinearen Wechselwirkungsprozesse zwischen Laserpuls und Plasmawelle noch nicht ausreichend erforscht. Die nichtlineare Wechselwirkung hat zur Folge, dass kleinste Änderungen der Anfangsbedingungen zu starken Schwankungen der Elektronenpulsparameter führen können, die sich beispielsweise in Form von Unterschieden in beschleunigter Ladung, der Endenergie oder in Richtungsschwankugnen auswirken. Eine zentrale Rolle spielt dabei die Position im Plasma, an der Elektronen in die Plasmawelle injiziert werden, da diese Position die maximale Energie der Elektronen maßgeblich beeinflusst. Die Injektion der Elektronen in die Plasmawelle an einer definierten Position ist daher eine Möglichkeit Schuss-zu-Schuss-Schwankungen zu reduzieren und die Verwendung der beschleunigten Elektronenpulse, z.B. als stabile Sekundärstrahlungsquelle für zeitlich und räumlich hochauflösende Bildgebungsverfahren, zu ermöglichen. Durch die Untersuchung einer Methode zur kontrollierten Injektion an einem Elektronendichtesprung konnte ein Zusammenhang zwischen den Eigenschaften des Dichtesprungs zu verschiedenen Elektronenpulsparametern wie Elektronenenergie und beschleunigter Ladung rekonstruiert werden, was eine anwendungsspezifische Abstimmung der Elektronenpulse durch eine gezielte Formung des Dichtesprungs in Aussicht stellt. Nichtsdestotrotz konnten Schuss-zu-Schuss-Schwankungen in den Elektronenparametern nicht vollständig beseitigt werden und sind vermutlich auf die nichtlineare Evolution des Laserpusles im Plasma zurückzuführen. Für die Stabilisierung der Wechselwirkungsprozesse sind Kenntnisse über deren Abläufe zwingend notwendig, was eine Methode zur Beobachtung der Plasmawelle und des Laserpusles erfordert. Mithilfe eines ultrakurzen Probepulses in Kombination mit einem hochauflösenden Abbildungssystem, welche am Institut für Optik und Quantenelektronik in Jena entwickelt wurden, können die in räumlichen und zeitlichen Skalen von Mikrometern und Femtosekunden stattfindenenden Prozesse genauer untersucht werden. Mit diesem System konnten Charakteristika der untrennbar mit dem Beschleunigungsprozess verbundenen Magnetfelder in noch nie dagewesenem Detail untersucht werden. Die damit einhergehenden tieferen Einblicke ermöglichten eine erstmalige Beobachtung von Signaturen des Magentfelds des treibenden Laserpulses und ebnen damit den Weg zu einer indirekten Beobachtung der Entwicklung des Laserpulses während der Wechselwirkung.