Polaris (Laser)

Blick in den Kontrollraum des POLARIS-Lasersystems

POLARIS – Petawatt Optical Laser Amplifier for Radiation Intensive ExperimentS ist ein Hochleistungslaser und gemeinsames Forschungsprojekt der Physikalisch-Astronomischen Fakultät an der Universität Jena und des Helmholtz-Instituts Jena (HI-Jena).

POLARIS ist das weltweit einzige, vollständig Dioden-gepumpte Lasersystem, das Pulsspitzenleistungen von 200 TW^[1] erzeugen und für Experimente mit hohen Intensitäten verwendet werden kann. Mit POLARIS werden am HI-Jena insbesondere Experimente zur Laser-Teilchenbeschleunigung durchgeführt.

Aufbau

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  Frontendlabor

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  Blick in den Strecker

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  Der dritte Verstärker

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  Der vierte Verstärker

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  Verstärkungsmedium

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  Skizze des fünften Verstärkers

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  Kompressorlabor

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  Targetlabor

Das Lasersystem ist auf einer Laborfläche von insgesamt 250 m² aufgebaut. Hier werden die Laserpulse in einem Oszillator erzeugt, zeitlich gestreckt, dann um mehr als 10 Größenordnungen in ihrer Energie verstärkt und schließlich wieder zeitlich komprimiert. Anschließend werden sie im Experimentierbereich mit einem Parabolspiegel fokussiert, so dass sie dann für hochintensive Experimente zur Verfügung stehen.

Um die Pulse mit einer Pulsdauer von 100 fs effizient verstärken zu können, ist POLARIS nach dem Prinzip der Chirped-Pulse Amplification (CPA)^[2] aufgebaut. Es verfügt neben fünf Laser-Verstärkern über ein Strecker-Kompressor-System mit der Besonderheit eines sogenannten Mosaik-Gitter-Kompressors.^[3] Als aktives Medium werden Ytterbium-dotiertes Fluorid-Phosphatglas und CaF₂ verwendet, das durch Hochleistungslaserdioden mit einer Wellenlänge von 940 nm gepumpt wird. Das Glas wurde vom Otto-Schott-Institut in Jena speziell für POLARIS entwickelt. POLARIS erzeugt Laserpulse mit einer Zentralwellenlänge von 1030 nm und einer Bandbreite von 19 nm (FWHM). Um das aktive Medium zwischen den einzelnen Pulsen effizient kühlen zu können, werden die Laserpulse mit einer Wiederholrate von 1/50 Hz erzeugt.

Aktuell können mit POLARIS Laserpulse mit einer Pulsenergie von 54 J^[4] vor dem Kompressor erzeugt werden. Nach dem Kompressor werden Laserpulse mit mehr als 17 J Pulsenergie in einer Pulsdauer von weniger als 100 fs routinemäßig im Experiment eingesetzt.

Durch die Verwendung von adaptiver Optik erreichen die Intensitäten im Fokus die Größenordnung von 10²¹ W/cm². Der zeitliche Intensitätskontrast der Laserpulse beträgt aktuell bis zu 10⁻¹³ für die verstärkte spontane Emission (ASE). Der für erfolgreiche Experimente zur Teilchenbeschleunigung sehr wichtige zeitliche Intensitätskontrast ist ebenso wie die Erhöhung der verfügbaren Pulsenergie ein wesentlicher Gegenstand der Weiterentwicklung des Lasersystems.^[5]

Siehe auch

• PHELIX – Hochenergielaser am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt

Weblinks

Commons: POLARIS – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Helmholtz-Institut Jena
• Universität Jena, Institut für Optik und Quantenelektronik
• Universität Jena, Lehrstuhl für relativistische Laserphysik
• Blick in das POLARIS Labor

Literatur

• A. Kessler u. a.: 16.6 J chirped femtosecond laser pulses from a diode-pumped Yb:CaF2 amplifier In: Optics Letters Vol. 39, Issue 6, pp. 1333–1336 (2014), doi:10.1364/OL.39.001333
• M. Hornung u. a.: The all-diode-pumped laser system POLARIS – an experimentalist’s tool generating ultra-high contrast pulses with high energy In: High Power Laser Science and Engineering Volume 2 / 2014, e20, doi:10.1017/hpl.2014.26
• M. Hornung u. a.: High-intensity, high-contrast laser pulses generated from the fully diode-pumped Yb:glass laser system POLARIS In: Optics Letters Vol. 38, Issue 5, pp. 718–720 (2013), doi:10.1364/OL.38.000718
• J. Hein u. a.: POLARIS: An All Diode-Pumped Ultrahigh Peak Power Laser for High Repetition Rates In: Lasers and Nuclei: Applications of Ultrahigh Intensity Lasers in Nuclear Science, Hrsg.: Heinrich Schwoerer, Joseph Magill, Burgard Beleites, S. 47–66

Einzelnachweise

1. ↑ Helmholtz-Institut Jena: POLARIS Laser – Helmholtz-Institut Jena. (Nicht mehr online verfügbar.) In: www.hi-jena.de. Archiviert vom Original am 26. April 2016; abgerufen am 26. April 2016.  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.hi-jena.de 
2. ↑ Donna Strickland, Gérard Mourou: Compression of amplified chirped optical pulses. In: Optics Communications. Band 56, Nr. 3, 1. Dezember 1985, S. 219–221, doi:10.1016/0030-4018(85)90120-8 (englisch). 
3. ↑ M. Hornung: Mosaik-Gitter-Kompressor für Femtosekunden-Laserimpulse hoher Energie. Dissertation. Der Andere Verlag, 2010, ISBN 978-3-86247-067-9. 
4. ↑ Marco Hornung, Hartmut Liebetrau, Sebastian Keppler, Alexander Kessler, Marco Hellwing: 54 J pulses with 18 m bandwidth from a diode-pumped chirped-pulse amplification laser system. In: Optics Letters. Band 41, Nr. 22, 15. November 2016, ISSN 1539-4794, doi:10.1364/ol.41.005413 (englisch). 
5. ↑ Hartmut Liebetrau, Marco Hornung, Andreas Seidel, Marco Hellwing, Alexander Kessler: Ultra-high contrast frontend for high peak power fs-lasers at 1030 nm. In: Optics Express. Band 22, Nr. 20, 6. Oktober 2014, ISSN 1094-4087, doi:10.1364/oe.22.024776 (englisch). 

50.93454166666711.580738888889Koordinaten: 50° 56′ 4,4″ N, 11° 34′ 50,7″ O