Dietrich, Clemens:

Erzeugung harmonischer hoher Ordnung an steilen Plasma-Dichtegradienten

Duisburg-Essen (2004), II, 143 S.
Dissertation / Fach: Physik
Fakultät für Physik
Dissertation
Abstract:
In der vorliegenden Arbeit wird die Erzeugung Harmonischer hoher Ordnung während der Wechselwirkung hochintensiver, ultrakurzer Laserimpulse mit Festkörperoberflächen untersucht. Hierbei werden neben den experimentellen Untersuchungen auch numerische PIC-Simulationen vorgestellt, die nicht nur die experimentellen Ergebnisse bestätigen, sondern auch wesentlich zum physikalischen Verständnis der Harmonischen-Erzeugung beitragen. Die Ordnung der Harmonischen-Emission ist bei der Anregung mit p-polarisierten Laserimpulsen in dem während der Arbeit zugänglichen Intensitätsbereich (<3 x 1018 W/cm2) durch die Plasmafrequenz des sich auf der Festkörperoberfläche ausbildenden Plasmas begrenzt. Dieses Ergebnis kann aufgrund der hohen Impulsqualität sowohl bei Anregung mit der fundamentalen Wellenlänge des Lasersystems im relativistischen Intensitätsbereich (a0>1) als auch mit der 2. Harmonischen im nicht relativistischen Intensitätsbereich (a0<0.3) nachgewiesen werden. Entscheidend für den Nachweis ist der Einsatz von Festkörpern, die unter der Annahme der vollständigen Ionisation, in verschiedenen Elektronendichten resultieren. Die experimentellen Untersuchungen bei der Anregung mit der p-polarisierten 2. Harmonischen können mit Hilfe von numerischen PIC-Simulationen qualitativ und quantitativ reproduziert werden. Entscheidend für die Übereinstimmung ist die Annahme einer sehr kurzen Skalenlänge des Plasmas (L/l =O(0.01)), die den Elektronendichte-Verlauf des Oberflächenplasmas am Plasma-Vakuum-Übergang charakterisiert. Die numerischen Simulationen zeigen, dass der Mechanismus der Harmonischen-Erzeugung auf der Anregung von Elektronendichte-Oszillationen in dem inhomogenen Bereich des Plasma-Vakuum Übergangs beruht. Die Frequenzen dieser Oszillationen entsprechen wiederum ganzzahligen Vielfachen der Laserfrequenz. Die numerischen Simulationen berechnen für größere Skalenlängen (L/l >0.1) Harmonischen-Spektren, deren Ordnung nicht durch die Plasmafrequenz begrenzt wird. In diesem Fall basiert die Erzeugung Harmonischer hoher Ordnung durch die anharmonische Oszillation der kritischen Elektronendichte, deren Frequenzspektrum wiederum aus ganzzahligen Harmonischen der Laserfrequenz besteht. Beide Bereiche werden durch einen Dritten abgetrennt, in dem die berechneten Spektren eine Erzeugung von höheren Harmonischen ausschließen. Mit Hilfe eines künstlichen Vorimpulses, dessen Verzögerungszeit bezüglich des hochintensiven Laserimpulses variiert werden kann, wird die Abhängigkeit der Harmonischen-Erzeugung von der Skalenlänge experimentell untersucht. Ein Übergang in den Bereich der Harmonischen-Erzeugung ohne die Einschränkung durch die Plasmafrequenz kann nicht verifiziert werden. Lediglich ein schneller Abfall des Harmonischen-Signals unabhängig von der Ordnung wird beobachtet . Eine mögliche Ursache für diese Diskrepanz ist die Ausbildung von räumlichen Störungen innerhalb des Oberflächenplasmas. Hinweise auf diese Störungen liefern Untersuchungen bezüglich der reflektieren, bzw. vom Oberflächenplasma emittierten, räumlichen Energieverteilung. Die Experimente zur Skalenlängenabhängigkeit der Harmonischen-Erzeugung führen zu einem weiteren interessanten Gebiet der Laser-Plasma-Wechselwirkung. Für sehr kurze Skalenlängen L/l»1 und schwach relativistische Intensitäten (a0=0.6) wird die Emission der 3/2-Harmonischen beobachtet, die unmittelbar an die Entwicklung von parametrischen Instabilitäten während der Laser-Plasma-Wechselwirkung gekoppelt ist. Für Skalenlängen L/l»1 erfolgt die Emission kollimiert in zwei verschiedene Richtungen »25° und »75° bei einem Einfallswinkel von q=38°. Für größere Skalenlängen wird die 3/2-Harmonische in den gesamten vor der Festkörperprobe befindlichen Halbraum emittiert. Die bestimmten Spektren sind sehr breit und lassen auf ein noch sehr viel breiteres Plasmonen-Spektrum schließen. Im Bereich der kollimierten Emission decken die über mehrere Laserimpulse gemittelten Spektren eine Abhängigkeit von der Emissionrichtung aus. Erklärt werden können die gemessenen Spektren durch die Entwicklung einer hybriden Plasma-Instabilität, bestehend aus Zwei-Plasmonen-Zerfall und Stimulierter-Raman-Streuung , sowie durch die räumliche Trennung der parametrischen Plasma-Instabilitäten und der nachfolgenden Summenfrequenz-Mischung.