DE10015415C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung hochenergetischer Ionenstrahlen und/oder kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung - Google Patents

Description

Technisches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung gerichteter hochenergetischer Ionenstrahlen und/oder kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung. Die hochenergetischen Ionenstrahlen können in der Grundlagenforschung, insbe­ sondere der Hochenergiephysik, beispielsweise zur Un­ tersuchung grundlegender physikalischer Zustände der Materie oder zur Erzeugung bisher nicht erreichter Grenzzustände eingesetzt werden. Weiterhin lassen sich mit derartigen Ionenstrahlen physikalische Zustände der Materie in Form von Plasmen erzeugen, in denen bei­ spielsweise gesteuerte nukleare Fusionen zur Energiege­ winnung ablaufen können.

Ein weiteres Anwendungsgebiet der mit dem Verfah­ ren bzw. der Vorrichtung erzielbaren Ionenstrahlen bzw. Ionenströme ist die strukturelle Bearbeitung von Objek­ ten unter Ausnutzung der kurzzeitig verfügbaren höch­ sten Energiedichten auf kleinem Raum. Aufgrund der pulsförmigen Erzeugung der Ionenstrahlung bzw. der elektromagnetischen Strahlung lassen sich damit ultra­ schnelle Prozesse in Physik, Chemie und Biologie unter­ suchen. Die kurzwellige kohärente Strahlung, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung erzeugt wird, kann als Sonde oder Werkzeug bei der Wechselwirkung mit Materie eingesetzt werden.

Insbesondere lassen sich mit dieser kohärenten kurzwel­ ligen Strahlung nichtlineare optische Prozesse hervor­ rufen oder untersuchen.

Stand der Technik

Für die Erzeugung hochenergetischer Ionenstrahlen bzw. Ionenströme sind derzeit nur Verfahren bekannt, die den Einsatz technischer Großanlagen erfordern. Der­ artige Großanlagen bestehen aus einer Ionenquelle zur Erzeugung der Ionen und einem Ionenbeschleuniger zur Beschleunigung und Führung der in der Ionenquelle er­ zeugten Ionen.

Als Ionenquellen werden hierbei in der Regel Elec­ tron-Beam-Ion Sources (EBIS) und Electron-Beam-Ion- Trap-Quellen (EBIT) bzw. Laserionenquellen verwendet. Beispiele für derartige Ionenquellen können den Arti­ keln von T. A. Antaya et al., Rev. Sci. Instrument, 65, 1723 (1994) oder G. Ciavola et al., Rev. Sci. Instru­ ment, 65, 1057 (1994) entnommen werden. Zu den EBIS- Quellen gehören die Penning-Ion-Source und die Elec­ tron-Cyclotron-Resonance-Ion-Source.

In B. Wolf (Ed.), Handbook of Ion Sources, CRC Press, Boca Raton 1995, p. 149-155, ist eine Ionenquel­ le beschrieben, bei der die Ionen mittels lasergestütz­ ter Plasmaerzeugung bereitgestellt werden. Das erfor­ derliche Plasma wird durch Fokussierung eines intensi­ ven Laserpulses auf ein Target erzeugt. Die mit dieser Technik erzeugten Ionen weisen jedoch keine ausreichend hohen Energien auf, um in der Hochenegiephysik direkt als Ionenstrahlen eingesetzt werden zu können.

Für die Beschleunigung der Ionen werden lineare Beschleuniger, wie der Wideroe-type RF Linac, Zyklotro­ ne oder Synchrotrone eingesetzt. Tabelle 1 gibt Bei­ spiele für erreichbare Ionenenergien und die erreichba­ re Teilchenanzahl an, wie sie mit bekannten derartigen Systemen realisiert werden.

Tabelle 1

Ein Nachteil dieser Systeme ist jedoch der große technische, finanzielle und räumliche Aufwand, der für die Erzeugung hochenergetischer gerichteter Ionenstrah­ len erforderlich ist. So lassen sich bisher gerichtete Ionenstrahlen hoher Leistungsdichte im Hochenergiebe­ reich nur in derartigen Großanlagen erzeugen. Zur Nut­ zung dieser Ionenstrahlen ist es dann erforderlich, die jeweiligen Anwendungen am Ort dieser Großanlagen durch­ zuführen.

V. Sebastian et al., Laser preparation of bunched ion beams, Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B126 (1997), p. 73-75, beschreibt ein Verfahren zur Erzeu­ gung gepulster Ionenstrahlung. Bei diesem Verfahren wird ein gepulster Protonenstrahl auf ein Target ge­ richtet und nachfolgend bzw. gleichzeitig eine resonan­ te Laserionisation durch Einstrahlung von ersten Laser­ pulsen durchgeführt. Bei diesem Verfahren erfolgt durch eine besondere Ausgestaltung der Ionenquelle eine ther­ mische Adsorption von Atomen an einem weiteren Targete­ lement, von dem die adsorbierten Atome mit einem zwei­ ten Laserpuls mit geringerer Wiederholungsrate als dem für die resonante Laserionisation eingesetzten ersten Laserpuls abgelöst werden, um dadurch eine gepulste Struktur der Ionenstahlung zu erzeugen. Für die Erzeu­ gung hochenergetischer Ionenstrahlen ist jedoch auch hier ein zusätzlicher Beschleuniger erforderlich.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie ei­ ne Vorrichtung zur Erzeugung gerichteter hochenergeti­ scher Ionenstrahlen anzugeben, die bezüglich der er­ zielbaren Energiestromdichten und Teilchendichten die Werte der bekannten Großanlagen erreichen oder über­ steigen, jedoch einfacher und kostengünstiger reali­ sierbar sind.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren bzw. der Vor­ richtung gemäß den Ansprüchen 1 bzw. 10 gelöst. Vor­ teilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vor­ richtung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein hochen­ ergetischer kurzer Laserpuls, im Folgenden als Haupt­ puls bzw. Laserhauptpuls bezeichnet, erzeugt und auf einen Brennpunkt in ein Dielektrikum fokussiert, der sich in einem geringen Abstand vor einem Target befin­ det. Das Target wird vorzugsweise durch einen elek­ trisch leitfähigen Festkörper gebildet. Unmittelbar vor dem Eintreffen des kurzen Laserhauptpulses im Brenn­ punkt wird im Dielektrikum eine vorzugsweise räumlich annähernd auf den Bereich des Brennpunktes begrenzte Vorionisation erzeugt.

Ein wesentliches Merkmal des vorliegenden Verfah­ rens besteht darin, dass vor dem Eintreffen des Haupt­ pulses im Brennpunktbereich ein oder mehrere Stoßwellen im Dielektrikum erzeugt werden, die sich dem Hauptpuls entgegen bewegen. Diese Stoßwellen werden - wie auch die Vorionisation - durch ein oder mehrere auf den Brennpunkt fokussierte und dem Hauppuls voranlaufende Laserpulse, im Folgenden als Prepulse bezeichnet, her­ vorgerufen, die auf das Target aufgetroffen sind. Der Abstand zwischen dem Brennpunkt und dem Target muß da­ bei so eingestellt werden, dass eine der sich vom Tar­ get ausbreitenden Stoßwellenfronten den Brennpunkt etwa gleichzeitig mit dem Hauptpuls er­ reicht.

Erst durch diese Maßnahme wird in Verbindung mit den vorangehend genannten Merkmalen erreicht, dass hochenergetische gerichtete Ionenstrahlen mit Energie­ stromdichten und Teilchendichten erzeugt werden, wie sie bisher nur oder nicht einmal mit den in der Be­ schreibungseinleitung angeführten technischen Großanla­ gen erzeugt werden können. Gleichzeitig kann hierbei kohärente kurzwellige elektromagnetische Strahlung im Röntgen- und Gammabereich frei werden, die für unter­ schiedliche Anwendungen genutzt werden kann.

Die fokussierte Laserstrahlung des Hauptpulses und des/der Prepulse(s) bzw. die Stoßwelle müssen hierbei selbstverständlich eine geeignet hohe Intensität bzw. Stärke aufweisen, um ein Plasma ausreichender Ladungs­ trägerkonzentration im Bereich des Brennpunktes erzeu­ gen zu können, aus dem geladene Teilchen im elektroma­ gnetischen Feld beschleunigt werden können. Durch das Zusammenwirken der Stoßwellenfront und des Laserhaupt­ pulses wird ein lokal begrenztes Gebiet der Resonanzab­ sorption für den Hauptpuls im Brennpunkt erzeugt, das eine gekrümmte Oberfläche aufweist, die vom Target aus gesehen konvex ausgebildet ist.

Für die Erzeugung hochenergetischer gerichteter Ionenströme mit dem vorliegenden Verfahren und der zu­ gehörigen Vorrichtung sind im Gegensatz zu allen bisher eingesetzten Mechanismen zur Erzeugung hochenergeti­ scher und auch relativistischer Teilchenströme keine technischen Großanlagen wie Linearbeschleuniger oder Zyklotronbeschleuniger erforderlich. Die Durchführung des Verfahrens erfordert vielmehr lediglich eine geeig­ nete Laseranordnung zur Erzeugung kurzer Laserpulse, eine Fokussieroptik, ein Dielektrikum sowie ein ent­ sprechendes Target, wobei der Brennpunkt der Fokus­ sieroptik auf einen definierten Abstand zum Target ein­ gestellt werden muss. Der Aufwand zur Erzeugung hochen­ ergetischer, auch relativistischer Teilchenströme ist damit deutlich geringer als bei den bekannten Beschleu­ nigereinrichtungen und -verfahren. Das betrifft sowohl den erforderlichen Energieeinsatz für die Erzeugung der Ionenströme - und damit den Wirkungsgrad der Anlage - als auch den benötigten Bauraum und das Gesamtgewicht der Anlage. Im Gegensatz zu den bekannten Beschleuni­ geranlagen kann die erfindungsgemäße Vorrichtung trans­ portabel bzw. mobil ausgeführt werden, was den Einsatz am Ort der Anwendung in vorteilhafter Weise ermöglicht. Die erforderlichen Voraussetzungen für die Erzeugung hochenergetischer gerichteter Ionenströme sind gemäß dem vorliegenden Verfahren damit um zumindest eine Grö­ ßenordnung kostengünstiger als die Realisierung mit den bekannten bisherigen technischen Ansätzen. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der zugehörigen Vor­ richtung erreichbaren Teilchen bzw. Stromdichten bei gleichzeitig hohen Energien sind dennoch höher als sie mit klassischen Beschleunigersystemen erreichbar sind. Gerade die für die Anregung von gesteuerten Kernfusi­ onsprozessen notwendigen Teilchen- und Energiedichten können derzeit mit den bekannten Techniken nicht reali­ siert werden, wären jedoch u. U. mit der erfindungsgemä­ ßen Lösung möglich. Auch die Erzeugung kohärenter Strahlung im Röntgen- oder Gammabereich erfordert einen geringeren Aufwand oder wird in einer neuen Qualität erst möglich, da keine extern erzeugten Magnetfelder höchster Feldstärken erforderlich sind, wie dies bei­ spielsweise beim freien Elektronenlaser der Fall ist.

Die beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Wirkung kommende Energieakkumulation erfordert, daß das im Fo­ kalgebiet im kurzen Laserhauptpuls vorhandene extrem hohe elektromagnetische Feld durch Resonanzabsorption in Felder zur Bündelung und zur extremen gerichteten Beschleunigung der im Plasma vorhandenen Ladungsträger transformiert werden kann. Voraussetzung für den Kumu­ lativeffekt ist die Erfüllung der Bedingung für die Re­ sonanzabsorption in einem Übergangsgebiet geringer Ab­ messung im Bereich des Brennpunktes. Diese Bedingung für Resonanzabsorption ist in einem Gebiet erfüllt, in dem die Plasma-Langmuirfrequenz annähernd gleich der Frequenz der Laserstrahlung ist, wobei die Oberfläche bzw. Randfläche des Gebietes der erfüllten Resonanzbe­ dingung vom Target aus gesehen konvex ausgebildet sein muß. Damit die Resonanzbedingung in einem begrenzten Gebiet mit einer entsprechend konvexen Randfläche annä­ hernd erfüllt ist, muß wiederum die Ladungsträgerkon­ zentration im Brennpunktbereich des Hauptpulses einen steilen Gradienten aufweisen. Diese Voraussetzungen liegen gerade in den von den Prepulsen erzeugten Stoß­ wellen vor, so dass die Bedingungen für die Initiierung hochenergetischer Ionenstrahlen genau dann gegeben sind, wenn die Stoßwellen bzw. Stoßwellenfronten etwa zeitgleich mit dem Hauptpuls im Brennpunktbereich des Hauptpulses eintreffen. Dies führt gleichzeitig zur er­ forderlichen konvexen Form des Gebietes der Resonanzbe­ dingung.

Selbstverständlich müssen die Intensität der durch einen Prepuls hervorgerufenen Stoßwelle und die Intensität des Hauptpulses im Fokusgebiet groß genug gewählt werden, um lokal Bedingungen der Resonanzabsorption der Strahlung des Hauptpulses zu erreichen, d. h. daß ein ausreichender Gradient der Elektronenkonzentration in der Stoßwellenfront existieren und ein ausreichender Absolutwert der Elektronenkonzentration vorhanden sein muss, so daß für ein räumlich begrenztes Gebiet die Plasma-Langmuirfrequenz gleich der Frequenz der Laser­ strahlung im Hauptpuls wird. Die Pulsdauer des Laser­ hauptpulses liegt hierbei vorzugsweise im Bereich um oder unterhalb von 100 ps.

Der hochenergetische kurze Laserhauptpuls, der vorzugsweise mit einem gepulsten Festkörperlaser wie einem Nd-YAG-Laser erzeugt wird, wird unmittelbar vor das Target fokussiert. Das Target selbst kann hierbei auf Masse liegen oder bezüglich seines Potentials frei schwebend sein.

An das Dielektrikum werden hierbei keine besonde­ ren Anforderungen gestellt. Vorzugsweise handelt es sich um ein flüssiges oder gasförmiges Dielektrikum, wie ein Gas oder Wasser. Der Abstand zwischen dem La­ serstrahlbrennpunkt und dem vorzugsweise metallischen Target, das bevorzugt auf der dem Brennpunkt zugewand­ ten Seite eben ausgeführt sein sollte, muss genau ein­ gestellt werden. Die Einstellung erfolgt hierbei so, dass eine sich vom Target in Richtung des Brennpunktes ausbreitende Stoßwellenfront etwa zeitgleich mit dem Laserhauptpuls im Brennpunkt eintrifft. Diese Einstel­ lung wird durch geeignete Vorversuche ermittelt. Als Referenzebene für die Beurteilung der Lage der etwa halbkreisförmig ausgebildeten Stoßwellen wird hierbei eine Ebene herangezogen, in der der einfallende Laserstrahl liegt. Auf die Möglichkeiten der Erfassung die­ ser Stoßwellenfront und deren Form wird weiter unten näher eingegangen.

Die Wechselwirkung der Stoßwellenfront mit dem elektromagnetischen Feld des Laserhauptpulses führt da­ zu, dass im steilen Konzentrationsgradienten der La­ dungsträger eine Resonanzabsorption der Laseremission des Hauptpulses erfolgt. Die in der dünnen Schicht der Resonanzabsorption erzeugten Felder führen zu einer Be­ schleunigung der Plasmaelektronen in Richtung zu der dem Target gegenüberliegenden Seite des Brennpunktes. Aufgrund der Störung der Quasineutralität des Plasmas duch die Beschleunigung der Plasmaelektronen wird die trägere Ionenwolke des Brennpunktbereiches ebenfalls in Richtung der Elektronen beschleunigt. Die parabelähnli­ che Ausprägung der Schicht der Resonanzabsorption hat einen Kumulativeffekt zur Folge, durch den die gelade­ nen Teilchen letztendlich in einem engen Kanal parallel, aber entgegengesetzt zur Ausbreitungsrichtung der La­ serstrahlung des Hauptpulses gebündelt und beschleunigt werden. Dies erfolgt mit sehr hoher Energie bei gleich­ zeitig hoher Teilchendichte und entspricht einer im­ pulsförmigen extrem hohen Energiestromdichte geladener atomarer Teilchen.

Bei diesen zuletzt dargestellten Mechanismen han­ delt es sich lediglich um einen Erklärungsversuch der durch Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens reali­ sierbaren hohen Energiestromdichte der Ionen. Die ge­ nauen Hintergründe für das mit dem Verfahren erreichba­ re sehr vorteilhafte Resultat sind bisher nicht eindeu­ tig geklärt. Dies betrifft insbesondere die Tatsache, dass sich die gerichteten hochenergetischen Ionenstrahlen nur erzeugen lassen, wenn der Brennpunkt den voran­ gehend angegebenen Abstand zum Target aufweist, der bei den Parametern des nachfolgend dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiels im Bereich von 100 µm liegt.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens werden sowohl der Laserhaupt­ puls wie auch der/die Prepuls(e) durch einen gepulsten Festkörperlaser erzeugt. Laserhauptpuls und Prepuls(e) sind hierbei Bestandteil eines einzigen Laserpulses. Derartige Pulsformen entstehen bei der Erzeugung kurzer Laserpulse hoher Energie mit Festkörperlasern. Der kur­ ze intensive Laserhauptpuls mit Pulsdauern im Bereich von 100 ps oder darunter besitzt einen oder mehrere voranlaufende einzelne Prepulse über einen Zeitraum von etwa 5-10 ns. Bei Fokussierung eines derartigen La­ sergesamtpulses auf den Brennpunkt trifft zunächst die Laserstrahlung der Prepulse im Brennpunkt ein und er­ zeugt dort eine Vorionisation sowie vom Target ausge­ hend eine Stoßwelle. Das Verhältnis der Energiestrom­ dichten des kurzen Hauptpulses zur vorauseilenden Laser­ emission beträgt im Brennpunkt vorzugsweise mindestens 10³.

Selbstverständlich können jedoch die Vorionisation und die Stoßwelleninitiierung auch durch getrennt erzeugte Laserpulse hervorgerufen werden, die zeitlich in kurzem Abstand vor dem kurzen intensiven Laserhauptpuls in den Brennpunkt fokussiert werden.

Für den Abstand d zwischen Brennpunkt und Target müssen bei Einsatz mehrerer aufeinanderfolgender Pre­ pulse zur Stoßwellenerzeugung Minimal- und Maximalab­ stände eingehalten werden.

Der Minimalabstand ergibt sich aus dem zeitlichen Abstand zwischen Hauptpuls und dem unmittelbar dem Hauptpuls voranlaufenden Prepuls sowie den erforderli­ chen Laufzeiten für die Erzeugung und Ausbreitung der durch den genannten Prepuls erzeugten Stoßwellenfront. Die durch den unmittelbar dem Hauptpuls voranlaufenden Prepuls erzeugte Stoßwelle darf also nicht vor dem Hauptpuls den Brennpunkt erreichen.

Der Maximalabstand ergibt sich aus dem zeitlichen Abstand zwischen Hauptpuls und dem ersten bzw. vorder­ sten der dem Hauptpuls voranlaufenden Prepulse, der ei­ ne Stoßwelle geeigneter Intensität hervorrufen kann, sowie den erforderlichen Laufzeiten für die Erzeugung und Ausbreitung der durch den genannten Prepuls erzeug­ ten Stoßwellenfront. Der erste dem Hauptpuls voranlau­ fende Prepuls, der eine Stoßwelle geeigneter Intensität hervorrufen kann, darf den Brennpunktbereich also nicht später als der Hauptpuls erreichen.

Der Abstand d muss weiterhin groß genug sein, daß sich eine durch einen Prepuls erzeugte Stoßwellenfront ausreichender räumlicher Abmessung aufbauen kann, d. h. bevorzugt in einer Mindestgröße, die in etwa der Abmes­ sung der Taille des Fokusgebietes des Hauptpulses ent­ spricht. Aufgrund der in der Regel annähernd kugelför­ migen Wellenfront bedeutet dies, daß bevorzugt ein Mi­ nimalabstand d von der Größe des Durchmessers der Fokus­ taille einzuhalten ist.

Die Einstellung des korrekten Abstandes zwischen dem Target und dem Brennpunkt kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. So können einerseits die er­ zeugten Ionenströme bei unterschiedlichen Abständen des Brennpunkts zum Target gemessen und anhand des Maximums der optimale Abstand ermittelt werden. Vorzugsweise wird die vom Target ausgehende bzw. am Target initiier­ te Stoßwellenfront jedoch über geeignete Messverfahren dargestellt und der Abstand zwischen Target und Brenn­ punkt entsprechend eingestellt. Selbstverständlich müs­ sen hierzu entsprechende Testimpulse auf den Brennpunkt fokussiert werden, um die Stoßwellenfront auszulösen. Die Darstellung der Stoßwellenfront im Bereich zwischen Brennpunkt und Target erfolgt hierbei vorzugsweise mit­ tels Schattenabbildung oder interferometrischer Dar­ stellung dieses Bereichs. Bildet eine der Stoßwellen­ fronten in diesen Darstellungen annähernd einen vom Target ausgehenden Halbkreis und berührt dieser in etwa den Brennpunkt bei Eintreffen des Laserhauptpulses, so ist die optimale Einstellung gefunden, bei der die ma­ ximalen Ionenströme erzeugt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung ge­ richteter hochenergetischer Ionenstrahlen und/oder kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung umfasst da­ her neben der Laseranordnung zur Erzeugung der ein oder mehreren Prepulse sowie eines hochenergetischen Laser­ hauptpulses, einer Fokussieroptik sowie dem Target und einer Einrichtung zur Justierung des Abstandes zwischen Target und Brennpunkt der Fokussieroptik auch eine Ein­ richtung zum Darstellen einer oder mehrerer sich im Be­ reich zwischen dem Brennpunkt und dem Target im Dielek­ trikum ausbreitenden Stoßwellenfronten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Aus­ führungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen oh­ ne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens nochmals erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Anordnung zur Laserstrahlfo­ kussierung, wie sie beim erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbar ist;

Fig. 2 ein Beispiel für die Form eines Laserpulses für den Einsatz beim erfindungsgemäßen Ver­ fahren;

Fig. 3 schematisch ein Beispiel für den optimalen Abstand zwischen Brennpunkt und Target;

Fig. 4 die Darstellung der Stoßwellenfronten beim Erreichen des Brennpunktes in einer Schatten­ aufnahme; und

Fig. 5 ein Beispiel für einen Aufbau der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 5 zeigt ein Beispiel für den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung hochenerge­ tischer gerichteter Ionenstrahlen und kohärenter kurz­ welliger elektromagnetischer Strahlung. Hierbei wird der Laserstrahl der ersten Harmonischen (Wellenlänge 1064 nm) eines mit einer Frequenz von 4 Hz gepulsten Nd:YAG-Lasers 1a mittels einer fokussierenden Optik 2 in ein Dielektrikum 5 fokussiert. Der Brennpunkt liegt unmittelbar vor einem metallischen ebenen Target 4. Das Dielektrikum 5 wird in diesem Beispiel durch Luft ge­ bildet.

Die Fokussierung ist nochmals schematisch in Fig. 1 dargestellt, in der der Laserstrahl 1, die fokussie­ rende Optik 2, das Dielektrikum 5 sowie das metallische Target 4 zu erkennen sind. Die Brennebene O der fokus­ sierenden Optik 2 befindet sich unmittelbar vor der Ebene N der Targetoberfläche. Der Brennpunkt 3 ist durch den Strahlverlauf des Laserstrahls 1 angedeutet.

Der zeitliche Intensitätsverlauf eines mit dem Nd:YAG-Laser erzeugten Einzel-Pulses, im Folgenden auch als Hauptpuls bezeichnet, ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. In der Figur ist sehr gut der kurze inten­ sive Hauptpuls 13 zu erkennen, der voranlaufende Pre­ pulse 12 besitzt. Der gesamte Laserpuls hat eine Ener­ gie von etwa 60 mJ, wobei die Peak-Leistungsdichte des Hauptpulses 13 im Brennpunkt 3 etwa 3 × 10¹³ W/cm², in den zeitlich voranliegenden Prepulsen etwa 1 × 10¹⁰ W/cm² be­ trägt. Der Hauptpuls 13 hat bei Annahme eines glocken­ förmigen Profils eine Halbwertsdauer von ca. 100 ps.

Die Leistungsdichte von etwa 10¹⁰ W/cm² in den fo­ kussierten Prepulsen vor dem metallischen Target 4 ist ausreichend, um dort ein lokales Plasma und am Target eine Stoßwelle zu erzeugen. Bei Erreichen des Brenn­ punktes 3 durch den Hauptpuls 13 wird dieser einer zu­ sätzlichen Fokussierung unterworfen, so dass eine Spit­ zenleistungsdichte des Strahls um etwa 5 × 10¹⁵ W/cm² im Brennpunkt 3 erreicht wird. Vom metallischen Target 4 gehen vor Erreichen des Brennpunktes 3 durch den Haupt­ puls 13 eine oder mehrere in etwa halbkreisförmige Stoßwellen 6 aus. Bei korrekter Einstellung des Abstan­ des d zwischen dem Brennpunkt 3 und der Oberfläche 4a des Targets 4 bildet diese Stoßwelle 6 in etwa einen Halbkreis zwischen Target und Brennpunkt, wenn sie das Gebiet des Brennpunktes 3 in etwa zeitgleich mit dem Hauptpuls erreicht. In diesem Fall kommt es zu einem gerichteten Bündeln und Beschleunigen von den in der Nähe des Brennpunktes 3 gebildeten leichteren Elektro­ nen entlang einer Vorzugsrichtung, die - im vorliegen­ den Beispiel - entgegengesetzt zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung verläuft. Wegen der extremen Verlet­ zung der Quasineutralität des Plasmas durch das Wegbe­ wegen der Elektronen werden in der Folge die ebenfalls in Fokusnähe 3 entstandenen Ionen in Richtung der Elek­ tronenbewegung beschleunigt und gebündelt. Hierbei wer­ den für Ionendichten von < 10²⁶ m^-3 Energien von bis zu einigen MeV erreicht.

Diese gerichtete Ionenstrahlung kann in üblicher Weise durch elektrische oder magnetische Felder zu ih­ rem Anwendungsort geführt werden. Gleichzeitig entsteht bei diesem Prozess kohärente elektromagnetische Strah­ lung in einem breiten Frequenzbereich, aus dem insbe­ sondere die Röntgen- und Gammastrahlung für die weitere Anwendung interessant ist.

Entscheidend für die Herstellung der gerichteten, hochenergetischen Elektronen- bzw. Ionenströme ist eine richtige Lage des Laserstrahlbrennpunkts vor dem Tar­ get. Diese Lage ist dann gegeben, wenn eine der vom Target weglaufenden wie oben beschriebenen Stoßwellen bei Eintreffen im Brennpunkt in etwa auf den eintref­ fenden Laserhauptpuls trifft. Dieser Zustand ist sche­ matisch in Fig. 3 für die vordere Stoßwelle darge­ stellt. Diese zeigt wiederum den Laserstrahl 1, der durch die fokussierende Optik 2 auf einen Brennpunkt 3 in der Brennebene O vor der Ebene N der Targetoberflä­ che des metallischen Targets 4 fokussiert wird. Mit dem Bezugszeichen 6 ist hierbei die Form der Stoßwellen­ fronten am Beispiel von drei generierten Stoßwellen dargestellt, wie sie idealerweise bei Erreichen des Brennpunktes 3 bei korrektem Abstand zwischen Brenn­ punkt und Targetoberfläche ausgebildet ist. Diese Lage der Stoßwellenfronten 6 kann durch geeignete messtech­ nische, beispielsweise optische Maßnahmen bei der Durchführung des Verfahrens dargestellt werden. Ein Beispiel für eine derartige Darstellung zeigt die Schattenaufnahme der Fig. 4. In dieser Aufnahme sind das Target 4 mit der Targetoberfläche 4a, das Plasmafo­ kusgebiet 3 sowie die Stoßwellenfronten 6 in einem Zeitpunkt nach Eintreffen des Hauptpulses 13 zu erken­ nen, zu dem die vordere Stoßwellenfront 6 den Brenn­ punkt 3 bereits erreicht hat. Das heller ausgebildete Gebiet 14 ist der stark lokale Bereich, in dem die Be­ dingung der Resonanzabsorption erfüllt ist. Die konvexe Ausbildung, bezogen auf das Target, garantiert den be­ reits beschriebenen Kummulativeffekt der Ladungsträger­ bündelung und Beschleunigung. Durch eine derartige Ab­ bildung des Bereiches zwischen Target und Brennpunkt zu verschiedenen Zeiten lässt sich der Abstand zwischen Target und Brennpunkt optimal nach den Vorgaben ein­ stellen.

Eine derartige Schattenaufnahme zur Justage des Abstandes des Brennpunktes 3 zum Target 4 kann mit Hil­ fe der ebenfalls vom Nd:YAG-Laser generierten Strahlung der zweiten Harmonischen bei 532 nm erfolgen. Sie be­ leuchtet über eine optische Laufzeitverzögerung 8 und verschiedene Elemente der optischen Strahlleitung und Strahlformung 7 als ebene Welle das Gebiet zwischen La­ serstrahlfokus 3 und Target 4, wie dies in Fig. 5 bei­ spielhaft dargestellt ist. Über eine vergrößernde Mi­ kroskopoptik 9 wird die von einem halbdurchlässigen Spiegel bzw. Strahlteiler 7a reflektierte Sondierungs­ welle über eine CCD-Kamera 10 abgebildet. Die optische Laufzeitverzögerung 8 gestattet hierbei, den Durchlauf des Hauptpulses 13 durch den Strahlfokus 3 für ver­ schiedene Zeiten darzustellen und auf diese Weise die Entwicklung der Stoßwellenfronten 6 zu beobachten. Durch eine Verschiebung des Targets 4 in Richtung der Ausbreitungsrichtung des Zündpulses kann der Abstand zwischen dem Target und dem Brennpunkt so eingestellt werden, dass eine der Stoßwellenfronten zwischen Target und Fokusgebiet zum Zeitpunkt des Eintreffens des La­ serhauptpulses im Brennpunkt diesen ebenfalls erreicht und das Gebiet der Resonanzabsorption ausbildet. Die Darstellung kann hierbei über ein Rechnersystem 11 mit Monitor erfolgen.

Bezugszeichenliste

1

Laserstrahl

1

a Laser

2

fokussierende Optik

3

Brennpunkt

4

Target

4

a Targetoberfläche

5

Dielektrikum

6

Stoßwellenfronten

7

optische Elemente

7

a Strahlteiler

8

optische Laufzeitverzögerung

9

Mikroskopoptik

10

CCD-Kamera

11

Rechnersystem mit Monitor

12

Prepulse

12

a letzter dem Hauptpuls voranlaufender Prepuls

12

b erster dem Hauptpuls voranlaufender Prepuls

13

Hauptpuls

14

Bereich der Resonanzabsorption
O Brennebene
N Ebene der Targetoberfläche

Claims (11)

1. Verfahren zur Erzeugung hochenergetischer Ionen­ strahlen und/oder kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung, bei dem ein kurzer Laserhauptpuls (13) erzeugt und auf einen Brennpunkt (3) in ein Die­ lektrikum (5) fokussiert wird, der in einem gerin­ gen Abstand d vor einem Target (4) liegt, wobei
unmittelbar vor dem Eintreffen des Laserhauptpul­ ses (13) ein oder mehrere Laserpulse (12) auf den Brennpunkt (3) fokussiert werden und dadurch im Dielektrikum zumindest eine Stoßwelle (6) erzeugt wird, die sich vom Target (4) in Richtung des Brennpunktes (3) ausbreitet, sowie eine Vorionisa­ tion erzeugt wird,
der Abstand d zwischen dem Brennpunkt (3) und dem Target (4) so eingestellt wird, dass die Stoßwelle (6) den Brennpunkt (3) annähernd zeitgleich mit dem Laserhauptpuls (13) erreicht, und
die Intensität des Laserhauptpulses (13) sowie die Stärke der Stoßwelle (6) ausreichend hoch gewählt werden, um im Bereich des Brennpunktes ein Plasma einer Ladungsträgerkonzentration zu erzeugen, aus dem geladene Teilchen im elektromagnetischen Feld beschleunigt werden können.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erzeugung mehrerer aufeinanderfolgender Laserpulse (12), die in der Lage sind, eine geeignete Stoßwelle (6) hervorzurufen, der Abstand d so eingestellt wird, daß die zeitlich erste erzeugte Stoßwelle (6b) den Brennpunkt (3) annähernd zeit­ gleich mit dem Laserhauptpuls (13) erreicht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erzeugung mehrerer aufeinanderfolgender Laserpulse (12), die in der Lage sind, eine geeig­ nete Stoßwelle (6) hervorzurufen, der Abstand d so eingestellt wird, daß die zeitlich der ersten er­ zeugten Stoßwelle (6b) nachfolgende Stoßwelle den Brennpunkt (3) annähernd zeitgleich mit dem Laser­ hauptpuls (13) erreicht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Laserpuls(e) (12) und der Laserhaupt­ puls (13) durch einen einzigen Laser erzeugt wer­ den.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Laserpuls(e) (12) und der Laserhaupt­ puls (13) durch unterschiedliche Laser erzeugt werden, wobei die Ausbreitungsrichtung des/der La­ serpulse(s) (12) und des Laserhauptpulses (13) an­ nähernd gleich ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem gepulsten Laser (1a) mehrere kurze Laserhauptpulse (13) in konstanten zeitlichen Abständen erzeugt und auf den Brennpunkt (3) fokussiert werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand d zumindest dem Fokusdurchmesser des Laserhauptpulses (13) entspricht.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserhauptpuls (13) eine Pulsdauer von weniger als 200 ps aufweist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand d zwischen dem Brennpunkt (3) und dem Target (4) mit Hilfe einer Schattenabbildung oder interferometrischen Darstellung des Brenn­ punkt und Target einschliessenden Bereiches einge­ stellt wird.

10. Vorrichtung zur Erzeugung hochenergetischer Ionen­ strahlen und/oder kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung, mit

• - einer Laseranordnung (1a) zur Erzeugung eines oder mehrerer Laserpulse (12) sowie eines kurzen Laserhauptpulses (13),
• - einer Fokussieroptik (2) zum Fokussieren der La­ serpulse (12) und des Laserhauptpulses (13) auf einen Brennpunkt (3) in ein Dielektrikum (5),
• - einem Target (4) in einem geringen Abstand d hinter dem Brennpunkt (3),
• - einer ersten Einrichtung zur Einstellung des Abstandes d zwischen Brennpunkt (3) und Target (4) und
• - einer zweiten Einrichtung (1a, 7-11) zum Dar­ stellen einer oder mehrerer sich in einem Bereich zwischen dem Brennpunkt (3) und dem Target (4) im Dielektrikum (5) ausbreitenden Stoßwellen (6).

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Einrichtung (1a, 7-11) die gepul­ ste Laserlichtquelle (1a) sowie optische Elemente (7, 9) umfasst, die einen Laserpuls der Laser­ lichtquelle (1a) als annähernd ebene Welle durch den Bereich zwischen dem Brennpunkt (3) und dem Target (4) führen und auf einen Detektor (10) ab­ bilden, der eine Schattenaufnahme des Bereiches liefert.