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Das POLARIS-Lasersystem

POLARIS - a Petawatt Optical Laser Amplifier for Radiation Intensive experimentS

POLARIS ist derzeit das weltweit einzige, vollständig Dioden-ge­pumpte Lasersystem, das Pulsspitzenleistungen von mehreren 200 TW erzeugen und für Experimente mit hohen Intensitäten ver­wendet werden kann. Mit POLARIS an unserem Lehrstuhl sowie am Helmholtz-Institut Jena insbesondere Experimente zur Laser-Teilchenbeschleunigung durchgeführt.

Das Lasersystem ist auf einer Laborfläche von insgesamt 250 m2 aufgebaut. Hier werden die Laserpulse in einem Oszillator er­zeugt, zeitlich gestreckt, dann um mehr als 10 Größenordnungen in ihrer Energie verstärkt und schließlich wieder zeitlich komprimiert. An­schließend werden sie im Experimentierbereich mit einem Parabol­spiegel fokussiert, so dass sie dann für hochintensive Experimente zur Verfügung stehen.

Um die Pulse mit einer Pulsdauer von 100 fs effizient verstärken zu können, ist das POLARIS-System nach dem Prinzip der Chirped-Pulse Amplification (CPA) aufgebaut. Es verfügt neben fünf Laser-Ver­stärkern über ein Strecker-Kompressor-System mit der Be­sonderheit eines sogenannten Mosaik-Gitter-Kompressors. Als aktives Medium werden Ytterbium dotiertes Fluorid-Phosphatglas und CaF2 ver­wen­det, das durch Hochleistungslaserdioden mit einer Wellen­länge von 940 nm gepumpt wird. Das Glas wurde vom Otto-Schott-Institut in Jena speziell für POLARIS entwickelt. POLARIS erzeugt Laser­pulse mit einer Zentralwellenlänge von 1030 nm und einer Band­breite von 19 nm (FWHM). Um das aktive Medium zwischen den einzelnen Pulsen effizient kühlen zu können, werden die Laserpulse derzeit mit einer Wiederholrate von 1/50 Hz erzeugt. 

Aktuell können mit POLARIS Laserpulse mit einer Pulsenergie von 51,16 J vor dem Kompresser erzeugt werden. Nach dem Kompressor werden Laserpulse mit mehr als 17 J Pulsenergie in einer Pulsdauer von weniger als 100 fs routinemäßig im Experiment eingesetzt. Durch die Verwendung von adap­tiver Optik können im Fokus Intensitäten von mehr als 1021 W/cm2  erreicht werden. Der zeitliche Intensitätskontrast der Laser­pul­se beträgt aktuell bis zu 10-13 für die verstärkte spontane Emission (ASE) und besser als 10-7 für wenige verbleibende fs-Vor­pulse. Der für erfolgreiche Experimente zur Teilchen­be­schleunigung sehr wichtige zeitliche Intensitätskontrast ist ebenso wie die Er­höhung der verfügbaren Pulsenergie ein wesentlicher Ge­gen­stand der Weiterentwicklung des Lasersystems.


POLARIS_Fig2

Abb. 1: Blick in die vierte Verstärkerstufe

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