Fakultätsbericht 2016-2017 der Physikalisch-Astronomischen Fakultät

Forschung — 65 Abb. 2. Aufnahme einer nach rechts laufenden, Laser- erzeugten Plasmawelle (graue Farbskala) und Signal des beschleunigten Elektronenpulses (farbig). Dieser Puls hat eine Dauer von nur (2.5±0.9) fs (aus [5]) Laser-basierte Teilchenbeschleuniger werden der- zeit weltweit als eine der vielversprechendsten Al- ternativen zu konventionellen Beschleunigeranla- gen angesehen. Mit solchen neuartigen Beschleu- nigern können Teilchenpulse mit Parametern (z.B. in Bezug auf Pulsdauer, Emittanz oder Quellgröße) erzeugt werden, die derzeit mit allen anderen Be- schleunigerkonzepten nicht realisierbar sind. Wei- terhin können diese Teilchenpulse — vor allem auf- grund der extremen elektrischen Felder, die bei der Wechselwirkung entstehen — in Experimenten er- zeugt werden, die in einen Laboraufbau im Univer- sitätsmaßstab passen. An unserem Lehrstuhl ent- wickeln wir u.a. Diagnostiken, um die physikali- schen Prozesse, die diesem Beschleunigungspro- zess zugrunde liegen, im Experiment zu untersu- chen und besser zu verstehen. Durch die weltweit einmalige Kombination aus sehr leistungsstarken Lasern, die die Wechselwirkung treiben, und dazu synchronisierten Probepulsen, die nur wenige opti- sche Zyklen lang sind [4], sind uns erstmals detail- lierte Einblicke in die Beschleunigung von Elektro- nen in sog. Laser-erzeugten Plasmawellen gelun- gen, die bis dahin nur aus Simulationen bekannt waren [5,6]. Durch die hieraus gewonnenen Er- kenntnisse konnten wir die numerischen Simulati- onen, die bis dahin das wesentliche Werkzeug wa- ren, um die Interaktion genau zu verstehen, anpas- sen, um die experimentellen Ergebnisse besser und realistischer zu reproduzieren. Unser ultimati- ves Ziel ist es — auch in Kollaboration mit nationa- len und internationalen Partnern — mithilfe der La- ser-basierten Teilchenbeschleunigung einen Proto- typ eines solchen Beschleunigers zu realisieren, der Teilchenpulse mit vorwählbaren Parametern und der notwendigen Stabilität liefert, die für An- wendungsexperimente zur Verfügung stehen. Ers- te Experimente zur Verwendung von sekundären Strahlungspulsen oder Teilchenstrahlung, z.B. auch in der Medizin und der Tumorbestrahlung, konnten in unserer Gruppe in den vergangenen Jahren erfolgreich durchgeführt werden. [4] Schwab M. et al., (2013): Few-cycle optical probe-pulse for investiga- tion of relativistic laser-plasma interactions. Applied Physics Letters, doi: 10.1063/1.4829489. [5] Buck A. et al., (2011): Real-time observation of laser-driven electron acceleration. Nature Physics, doi:10.1038/nphys1942 [6] Sävert, A. et al. (2015): Direct Observation of the Injection Dynamics of a Laser Wakefield Accelerator Using Few-Femtosecond Sha- dowgraphy. Physical Review Letters, doi: 10.1103/ PhysRevLett.115.055002. Forschungsprojekt 2: Alternative Beschleunigerkonzepte—Laser-basierte Teilchenbeschleuniger Abb. 3. Entwicklung einer Laser-erzeugten Plasmawelle während ihrer Propagation durch das Plasma (aus [6])