Wissenschaftler untersuchen die vorteilhafte Verwendung von Nanostrukturen

Nanostrukturierte Oberflächen haben vielfältige Anwendungen. Unter anderem werden sie verwendet, um selektiv die Abnahme von Licht zu erhöhen. Sie können sie überall finden, wo die Lichternte der Schlüssel ist, z.B. In der photovoltaik Aber auch bei der Laserprotonenbeschleunigung zieht dieser Ansatz viel Aufmerksamkeit auf, da nanostrukturierte Ziele das Versprechen halten, die maximalen Protonenergien und Protonenzahlen bei einer gegebenen Laserenergie deutlich zu erhöhen. Wie bei jeder anderen neuen Technologie ist ein hoher Wirkungsgrad ein Schlüssel für eine mögliche zukünftige Nutzung. Wissenschaftler am Max-Born-Institut (MBI) in Berlin haben nun untersucht, unter welchen Bedingungen die Verwendung von Nanostrukturen bei der Laserionenbeschleunigung von Vorteil ist.

Wird ein ultrakurzen Laserpuls (~ 30 fs,> 1 J) auf eine feste Zielfolie fokussiert, so dass relativistische Intensitäten (> 10¹⁸ W / cm²) erreicht werden, wird die Materie durch Feldionisation sofort in ein Plasma umgewandelt. Elektronen werden auf relativistische Energien im Laserpointer 50000mw feld beschleunigt. Während schnellste Elektronen das Ziel verlassen können, werden diejenigen mit weniger (aber immer noch relativistischen) Energie im Coulomb-Feld des (nun) positiv geladenen Ziels gefangen und beginnen in diesem Feld zu schwingen. Sie bilden eine dynamische Hülle, die zusammen mit der Targetfläche ein elektrisches Feld von mehreren Megavolt pro Mikrometer erzeugt, bei dem positive Ionen (zB Protonen und Kohlenstoffionen aus der Oberflächenkontaminationsschicht) eine extreme Beschleunigung erfahren. Dieser Vorgang wird als Soll-Normalscheidenbeschleunigung (TNSA) bezeichnet. Feige. 1 zeigt ein Bild eines solchen Protonenbündels.

Die Idee hinter nanostrukturierten Oberflächen ist jetzt einfach: Nanostrukturen erhöhen die Laserabsorption, i. E. Es werden immer mehr energetische Elektronen erzeugt, die wiederum Protonen zu höheren Energien beschleunigen können.

Aber es gibt auch Alternativen zur Optimierung des TNSA-Mechanismus - besonders wichtig ist die Optimierung des Plasma-Gradienten, i. E. Das Dichteprofil des Ziels. Die angewandten Laserintensitäten sind so groß, dass die Ionisierung des Ziels nicht nur erfolgt, wenn die Spitze des Laserpulses mit dem Ziel zusammenwirkt, sondern bereits während der ansteigenden Flanke des Pulses beginnt. Das vorionisierte Plasma dehnt sich aus, die Plasmadichte nimmt ab. Der Plasmagradient wird daher im Wesentlichen durch die exakte zeitliche Pulsstruktur bestimmt.

Das Team von Dr. Matthias Schnuerer vom Max-Born-Institut in Berlin hat untersucht, unter welchen Bedingungen die Verwendung von nanostrukturierten Zielen vorteilhaft ist. Zu diesem Zweck haben die Physiker Laser-Ziele ihre Ziele in-situ. Diese Methode der Erzeugung von periodischen Oberflächenstrukturen über einen Laser (LIPSS) ist besonders einfach und ermöglicht grundsätzlich die Entwicklung eines Zielsystems mit hoher Wiederholrate. In einem ersten Schritt wird die Zieloberfläche durch Anlegen von etwa 20 stark abgeschwächten Laserpulsen nanostrukturiert. Ein repräsentatives Rasterelektronenmikroskopiebild einer solchen Oberfläche ist in Fig. 1 gezeigt.

Die Strukturparameter ähneln denen, die die Laserabsorption maximieren. Strukturanalyse und Simulationen zeigen, dass diese Strukturen nahezu optimale Parameter für maximale Laserabsorption besitzen. Im folgenden Schritt wird ein einzelner vollständig verstärkter Puls auf diesen nanostrukturierten Bereich fokussiert. Dr. Andrea Luebcke und ihre Mitarbeiter haben den Einfluss dieser Nanostrukturen auf das Protonenspektrum für unterschiedliche Laserintensitäten untersucht. Sie wählten einen Laser-Kontrast, der bei höchsten Intensitäten optimal ist. Zunächst konnten die Wissenschaftler zeigen, dass Nanostrukturen auch bei höchsten Intensitäten bei den gegenwärtigen Kontrastbedingungen in dem Sinne funktional bleiben, dass sie die Laserabsorption, wie aus einer Erhöhung der Kα-Ausbeute hervorgeht, erhöhen (siehe Abb. 2a). Für relativ niedrige Intensitäten erhöhen Nanostrukturen sowohl die Umwandlungswirksamkeit als auch die Protonenenergien erheblich. Zum Beispiel wurden bei 5x10¹ & sup4; W / cm² die maximalen Protonenenergien um einen Faktor von vier erhöht, die Umwandlungseffizienz von Laser zu Protonenenergie wurde sogar um zwei Größenordnungen erhöht. Bei höchsten Laserintensitäten mit optimalen Laserplasmaparametern wurden jedoch keine signifikanten Vorteile aus den Nanostrukturen für die Ionenbeschleunigung gemessen (Bild 2b, c).