Sub-Picosecond Laser Plasma Experiments on Dielectric Solids: Ultrafast Ionisation and Observation of Megagauss Magnetic Fields (Tienda española)

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Die Wechselwirkung eines intensiven sub-pikosekunden Laserpulses (1015{1020 W=cm2) mit Materie
umfasst eine Vielzahl unterschiedlicher Wechselwirkungen. Die vorwiegend experimentelle Arbeit
konzentriert sich auf die ultraschnelle Ionisation und die Beobachtung von magnetischen Feldern
im Megagauss Bereich:
Ultraschnelle Ionisation: Die ansteigende Flanke eines intensiven Laserpulses verursacht ein schnelles
Anwachsen der Elektronendichte, so dass die kritische Elektronendichte rasch uberschritten
wird und eine zunachst transparente Glasplatte undurchsichtig wird. Im Rahmen dieser
Arbeit wird ein theoretisches Modell dieser Wechselwirkung basierend auf der optischen
Feldionisation (OFI) entwickelt. Die Computersimulationen zeigen, dass die Transmission
eines mit einem 60 fs Laserpuls der Wellenlange 800 nm erzeugten Plasmas in weniger als
10 fs um viele Groenordnungen abnimmt. Das schnelle Abnehmen der Transmission wird
hauptsachlich durch die Absorption des einfallenden Laserstrahls und nicht durch die an-
wachsende Re exion hervorgerufen. Um diese theoretischen Ergebnisse zu uberprufen, wur-
de ein Pump{Probe-Experiment mit einem Titan-Saphir-Laser (800 nm; 1 mJ) am Institut
fur Optik und Quantenelektronik der Friedrich-Schiller-Universitat in Jena durchgefuhrt.
In diesem Experiment wurde mit 60 fs und 120 fs Laserpulsen, die auf eine Intensitat von
1015 W=m2 fokussiert wurden, ein Plasma erzeugt. Ein kleiner Teil dieser Pulse wurde als Pro-
bepuls benutzt, um die Zeit{Frequenz-Funktion der Plasmatransmission zu messen. Durch
Vergleichen der Momente dieser Zeit{Frequenz-Funktionen mit den entsprechenden Mo-
menten, die anhand von FROG-Messungen berechnet wurden, konnten die theoretischen
Vorhersagen bestatigt werden, so dass dieser Schalter in zukunftigen Experimenten auch
zur Pulscharakterisierung von sehr kurzwelliger UV-Strahlung eingesetzt werden kann.
Magnetische Felder im Megagauss Bereich: Bei der Wechselwirkung eines sub-pikosekunden Laser-
pulses mit einem Plasma konnen starke magnetische Felder vor allem durch radialen War-
metransport, durch pondermotorische Krafte und durch Strome schneller Elektronen ent-
stehen. Plasmakinetische (PIC) Simulationen zeigen, dass die starksten Felder azimutal
im Bereich hoher Dichte lokalisiert sind und exponentiell mit steigender Laserintensitat
anwachsen. Fur den Fall eines schragen Lasereinfalls werden die starksten Felder nur auf
einer Seite des Plasmas erzeugt. Diese Felder konnen z.B. mittels der Grenzfrequenz fur die
auerordentliche Welle (x-wave cut-o ), dem Faraday- und dem Cotton-Moutone ekt ge-
messen werden. Das Prinzip dieses Messverfahrens beruht auf der polarisationsabhangigen
Ausbreitung eines Probepulses durch ein magnetisiertes Plasma. Indem man Hohe Harmo-
nische der Laserfundamentalen benutzt, die durch den intensiven Laserpuls im Inneren des
Plasmas erzeugt werden, kann man die Schwierigkeiten vermeiden, die sich bei Anwendung
eines externen Probepulses durch zu starke Brechung an dem Dichtegradienten des Plas-
mas ergeben. Die Experimente wurden mit dem CPA-Strahl des VULCAN-Lasers (1053 nm,
750 fs, 1020 W=cm2) am Rutherford-Appleton Laboratory in Grobritannien durchgefuhrt.
Die magnetischen Felder wurden mit drei VIS / UV-Polarimetern und zwei VUV / XUV-
Polarimetern untersucht. Beruhend auf der Beobachtung des X-Wave Cut-O ergab sich
eine magnetische Feldstarke von mindestens 350(60) MG. Die Gleichungen fur den Cotton-
Mouton-E ekt der funften Harmonischen weisen bereits auf eine Mindestfeldstarke von uber
400(50) MG hin. Die VUV / XUV-Polarimetrie gibt sogar deutliche Hinweise auf Felder
groer als 700(100) MG. Bis zu einer Laserintensitat von 1020 W=cm2 konnten keine An-
zeichen einer Sattigung der magnetischen Feldstarke gefunden werden. Auerdem wurden
keine Felder in Richtung der Target-Normalen beobachtet. Alle diese experimentellen Er-
gebnisse stimmen gut mit den Ergebnissen der PIC-Simulationen uberein