En Route: Elektronenbeschleuniger der nächsten Generation auf Laser-Plasma-Basis

Die Beschleunigung von Elektronen auf relativistische Energien ist von fundamentalem Interesse fur die Physik, insbesondere fur die Elementarteilchenphysik. Herkommliche Beschleuniger stosen heute aufgrund der limitierten elektrischen Beschleunigungsfelder an ihre Grenzen. In dieser Arbeit wurden verschiedene Mechanismen untersucht, mit denen uber neue Ansatze die um viele Grosenordnungen hoheren Felder in fokussierten Laserpulsen und in Plasmawellen zur Elektronenbeschleunigung ausgenutzt wurden. Bei der Wechselwirkung von relativistischen Laserpulsen mit unterkritischen Plasmen wurden quasi-monoenergetische Elektronenbunches mit Energien in der Grosenordnung von 50 MeV und normierten Emittanzen in Hohe von 5 mm mrad erzeugt. Dies konnte mit dem JETI-Laser an der Friedrich-Schiller-Universitat Jena erzielt werden, mit dem Laserpulse (~ 80 fs, 1 J) auf Intensitaten einiger 1e19 W/cm2 in Gas-Jets fokussiert wurden. Die experimentelle Beobachtung wurde auf Grundlage der so genannten "Bubble Acceleration" erklart, die auf Selbstinjektion und Beschleunigung von Elektronen in einer brechenden, stark nicht-linearen Plasmawelle basiert. Bubble-Beschleunigung konnte hier erstmals im Self-Modulated Laser Wakefield-Regime (SMLWFA) realisiert werden. Dieses Regime der quasi-monoenergetischen SMLWFA hat die Besonderheit, dass die restriktiven Bedingungen zur Auslosung von Bubble-Beschleunigung uber den Prozess der Selbstmodulation des Laserpulses deutlich einfacher zu erreichen sind und die Anforderungen an den treibenden Laserpuls dramatisch sinken. Zugleich spielt sich der Prozess bei sehr hoher Plasmadichte ab und kann daher zu besonders niedrigen Elektronen-Pulsdauern ~ 5 fs fuhren. Diese Pulsdauern liegen mindestens eine Grosenordnung unter den von herkommlichen Beschleunigern erreichbaren. Daruber hinaus kann der Laserpuls sogar in mehrere Fragmente zerfallen, die stark genug sein konnen, um jeweils eine Bubble zu treiben. Es wurden markante Doppel-Peaks in den Elektronenspektren gemessen, die (gestutzt von PIC-Simulationen (Particle-in-Cell)) darauf hindeuten, dass zwei quasi-monoenergetische Elektronenbunches im Abstand von nur wenigen 10 fs erzeugt wurden. Die Ergebnisse zeigen die Realisierbarkeit von kleineren, table-top-Beschleunigern und tragen mit dazu bei, die Akzeptanz von Laser-Plasma-Beschleunigung als mogliche Grundlage zukunftiger, internationaler Beschleunigerprojekte signifikant zu erhohen. In einem weiteren Schwerpunkt der Arbeit wurde Elektronenbeschleunigung an (uberkritischen) Festkorpern untersucht. Hier wurde unter Verwendung von Monte-Carlo-Simulationen eine neue Diagnostik (Image Plate-Stack) entwickelt und experimentell unter anderem ein relativistischer, nahezu parallel zur Targetoberflache verlaufender Elektronenbunch gefunden. Auf Grundlage von PIC-Simulationen wurde gezeigt, dass diese Elektronen im transienten Interferenzfeld aus einfallendem und reflektierten Laserpuls mit Spitzenwerten einiger 10 TV/m beschleunigt werden und Pulsdauern < 1 fs haben konnen. Zwar sind diese Elektronenpulse nicht monoenergetisch, konnten aber zukunftig beispielsweise zur Injektion in mehrstufigen Laser-Plasma-Beschleunigern genutzt werden.