On the role of pre-pulses in laser-irradiation of isolated micro-spheres at relativistic intensities

Balling, Felix (2024): On the role of pre-pulses in laser-irradiation of isolated micro-spheres at relativistic intensities. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

The acceleration of particle in a plasma driven by an ultra-intense laser pulse holds promise to power the next generation of particle accelerators. A key element hereby is the target onto which the laser pulse is focused and from which the ions are accelerated. In particular isolated mass-limited targets with a size smaller than the laser focus can achieve highly efficient volumetric acceleration regimes. In this thesis the effect of pre-pulses on the plasma properties just before the beginning of the acceleration process is investigated. Motivated by previous work at multiple national and international research facilities, experiments were performed at the ATLAS-3000 laser at CALA. The goal of these experiments was to determine whether a temporal laser contrast with a short pre-pulse and moderately long and intense rising edge before the main pulse is sufficient and possibly even beneficial for proton acceleration from isolated polystyrene micro-spheres. From the analysis of the transmitted laser light the position of the target with respect to the laser focus was reconstructed. As this reveals a systematic displacement of the target to areas of lower intensity, the interpretation of the results is ambiguous and requires further investigation. To this end a simple model was developed, which can be solved numerically to calculate the target conditions at the time of the main pulse from the experimental laser contrast. This model was compared to detailed radio-hydrodynamic simulations for verification. While the simulations reveal some features which are not included in the model, such as a prominent shock wave traveling through the target, the agreement on averaged densities and temperatures is remarkable. Informed by the model and simulations, it is concluded that the experimentally observed offset between laser focus and target is due to systematic errors. The temporal contrast of the ATLAS-3000 is in fact expected to result in near-ideal conditions for proton acceleration from these targets. Further, the model is applied to other laser systems and general limits on the laser contrast for efficient acceleration from isolated targets are extracted.

Abstract

Die Beschleunigung von Teilchen in einem Plasma, durch einen ultrastarken Laserpuls, soll die nächste Generation von Teilchenbeschleunigern antreiben. Ein Schlüsselelement hierbei ist das Target, auf das der Laserpuls fokussiert wird und in dem die Ionen beschleunigt werden. Insbesondere isolierte massenlimitierte Targets mit einer Größe kleiner als der Laserfokus können hoch effiziente volumetrische Beschleunigungsregime erreichen. In dieser Arbeit wird der Effekt von Vorpulsen auf die Plasmabedingungen kurz vor Beginn des Beschleunigungsprozesses untersucht. Motiviert durch frühere Arbeiten an verschiedenen nationalen und internationalen Forschungszentren wurden Experimente am ATLAS-3000 Laser in CALA durchgeführt. Ziel dieser Experimente war es festzustellen, ob ein zeitlicher Laser-Kontrast mit einem kurzen Vorpuls und einer moderat langen und intensiven ansteigenden Flanke vor dem Hauptpuls ausreichend und möglicherweise sogar vorteilhaft für die Beschleunigung von Protonen aus isolierten Polystyrol-Mikrokugeln ist. Durch die Analyse des transmittierten Laserlichts wurde die Position des Targets relativ zum Laserfokus rekonstruiert. Da dies eine systematische Verschiebung des Targets zu Bereichen niedrigerer Intensität offenbart, ist die Interpretation der Ergebnisse mehrdeutig und erfordert weitere Untersuchungen. Zu diesem Zweck wurde ein einfaches Modell entwickelt, das numerisch gelöst werden kann, um die Plasmabedingungen zum Zeitpunkt des Hauptpulses aus dem experimentellen Laser-Kontrast zu berechnen. Dieses Modell wurde zur Verifizierung mit detaillierten radio-hydrodynamischen Simulationen verglichen. Während die Simulationen einige Merkmale offenbaren, die nicht im Modell enthalten sind, wie zum Beispiel eine prominente Schockwelle, die durch das Target propagiert, ist die Übereinstimmung bei gemittelten Dichten und Temperaturen bemerkenswert. Auf Grundlage des Modells und der Simulationen wird geschlossen, dass die experimentell beobachtete Verschiebung zwischen Laserfokus und Target auf systematische Fehler zurückzuführen ist und der zeitliche Kontrast des ATLAS-3000 nahezu ideal zur Beschleunigung von Protonen aus diesen Targets geeignet ist. Weiterhin wird das Modell auf andere Lasersysteme angewandt und allgemeine Grenzen für den Laser-Kontrast für effiziente Beschleunigung aus isolierten Zielen werden extrahiert.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 25. November 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Schreiber, Jörg