Optical and X-Ray Diagnostics of the Formation of Laser-Induced Plasmas in Gases and Vacuum

• Main Author: Nikitine, Dmitri
• Other Authors: TU Chemnitz, Fakultät für Naturwissenschaften
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Universitätsbibliothek Chemnitz 2004
• Subjects: Shock wave; X-Ray; ddc:530; Absorption; Interferometrie; Laserablation; Plasma; Röntgenbremsstrahlung
• Online Access: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:swb:ch1-200401345; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:swb:ch1-200401345; http://www.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/4880/data/diss_nikitine.pdf; http://www.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/4880/20040134.txt

Die Wechselwirkung intensiver Laserstrahlung mit Festkörperoberflächen ruft oberhalb einer bestimmten Leistungsdichte eine Materialablation hervor und führt schließlich zur Herausbildung sogenannter laserinduzierter Plasmen. In diesem Zusammenhang wird in der Literatur über nichtlinear-optische Phänomene wie Selbstfokussierung und -Kanalisierung der Laserstrahlung, sowie Ausbildung beschleunigter Plasmafragmente berichtet. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Form und der Dynamik solcher laserinduzierten Plasmen an verschiedenen metallischen Targets (Al, Cu, W, Ta) in verschiedenen Umgebungen (Luft, Vakuum, Argon) unter besonderer Berücksichtigung der Vor-pulskonfigurationen des Laserstrahles. Es ist festzustellen, daß sich nach der Einwirkung eines Vorpulses der Energie 10¹²...10¹³ W/cm² auf das metallische Target in Luft und Argon eine Stoßwelle ausbildet, die im Falle von Luft zu einem Plasmakanal der Elektronendichte um 10²º 1/cm³, im Falle von Argon zu mehreren pulsierenden Kanälen führt. In der Arbeitsregime des Lasers mit einigen Vorpulsen wird in Luft und Argon die Herausbildung einer entsprechenden Anzahl von Stoßwellen im Plasma beobachtet. Als Ergebnis der Einwirkung des nachfolgenden Hauptpulses auf die entstandene Stoßwellenstruktur formiert sich ein Plasmakanal. Infolge der komplexen hydrodynamischen Wechselwirkung zwischen dem Hauptpuls und den Stoßwellen, sowie der Einwirkung starker Magnetfelder, erfolgt ein Auswurf von Plasmafragmenten entgegengesetzt dem Vektor der einfallenden Laserstrahlung. Die Fragestellung nach Abhängigkeit der Anzahl der Plasmafragmente von der Anzahl der Stoßwellen und der Pulsenergie des Lasers wird in dieser Arbeit verfolgt. Im Vakuum rufen die Vorpulse dagegen lediglich eine flache Plasmawolke hervor, in der sich als Ergebnis der Einwirkung des Hauptlaserimpulses wiederum eine Stoßwelle bildet. Weiter wird die Herausbildung von Plasmakanälen beobachtet, die in einem stumpfen Winkel zum Vektor des einfallenden Laserausstrahles geneigt sind. Mittels röntgenspektroskopischer Untersuchungen werden für die Plasmakanäle Elektronentemperaturen bis zu 2.7 keV ermittelt, was als Nachweis einer Vorbedingung zur Schaffung eines Röntgenlasers auf der Basis der vorliegenden Effekte gelten kann.