Authors:	Zimmer, Daniel Frederik
Title:	A new double laser pulse pumping scheme for transient collisionally excited plasma soft X-ray lasers
Online publication date:	19-Jul-2010
Year of first publication:	2010
Language:	english
Abstract:	Within this thesis a new double laser pulse pumping scheme for plasma-based, transient collisionally excited soft x-ray lasers (SXRL) was developed, characterized and utilized for applications. SXRL operations from ~50 up to ~200 electron volt were demonstrated applying this concept. As a central technical tool, a special Mach-Zehnder interferometer in the chirped pulse amplification (CPA) laser front-end was developed for the generation of fully controllable double-pulses to optimally pump SXRLs.rnThis Mach-Zehnder device is fully controllable and enables the creation of two CPA pulses of different pulse duration and variable energy balance with an adjustable time delay. Besides the SXRL pumping, the double-pulse configuration was applied to determine the B-integral in the CPA laser system by amplifying short pulse replica in the system, followed by an analysis in the time domain. The measurement of B-integral values in the 0.1 to 1.5 radian range, only limited by the reachable laser parameters, proved to be a promising tool to characterize nonlinear effects in the CPA laser systems.rnContributing to the issue of SXRL pumping, the double-pulse was configured to optimally produce the gain medium of the SXRL amplification. The focusing geometry of the two collinear pulses under the same grazing incidence angle on the target, significantly improved the generation of the active plasma medium. On one hand the effect was induced by the intrinsically guaranteed exact overlap of the two pulses on the target, and on the other hand by the grazing incidence pre-pulse plasma generation, which allows for a SXRL operation at higher electron densities, enabling higher gain in longer wavelength SXRLs and higher efficiency at shorter wavelength SXRLs. The observation of gain enhancement was confirmed by plasma hydrodynamic simulations.rnThe first introduction of double short-pulse single-beam grazing incidence pumping for SXRL pumping below 20 nanometer at the laser facility PHELIX in Darmstadt (Germany), resulted in a reliable operation of a nickel-like palladium SXRL at 14.7 nanometer with a pump energy threshold strongly reduced to less than 500 millijoule. With the adaptation of the concept, namely double-pulse single-beam grazing incidence pumping (DGRIP) and the transfer of this technology to the laser facility LASERIX in Palaiseau (France), improved efficiency and stability of table-top high-repetition soft x-ray lasers in the wavelength region below 20 nanometer was demonstrated. With a total pump laser energy below 1 joule the target, 2 mircojoule of nickel-like molybdenum soft x-ray laser emission at 18.9 nanometer was obtained at 10 hertz repetition rate, proving the attractiveness for high average power operation. An easy and rapid alignment procedure fulfilled the requirements for a sophisticated installation, and the highly stable output satisfied the need for a reliable strong SXRL source. The qualities of the DGRIP scheme were confirmed in an irradiation operation on user samples with over 50.000 shots corresponding to a deposited energy of ~ 50 millijoule.rnThe generation of double-pulses with high energies up to ~120 joule enabled the transfer to shorter wavelength SXRL operation at the laser facility PHELIX. The application of DGRIP proved to be a simple and efficient method for the generation of soft x-ray lasers below 10 nanometer. Nickel-like samarium soft x-ray lasing at 7.3 nanometer was achieved at a low total pump energy threshold of 36 joule, which confirmed the suitability of the applied pumping scheme. A reliable and stable SXRL operation was demonstrated, due to the single-beam pumping geometry despite the large optical apertures. The soft x-ray lasing of nickel-like samarium was an important milestone for the feasibility of applying the pumping scheme also for higher pumping pulse energies, which are necessary to obtain soft x-ray laser wavelengths in the water window. The reduction of the total pump energy below 40 joule for 7.3 nanometer short wavelength lasing now fulfilled the requirement for the installation at the high-repetition rate operation laser facility LASERIX.rn In dieser Arbeit wurde ein neues Laser Doppelpuls Pumpschema für plasmabasierte, transient Elektronenstoß-angeregte weiche Röntgenlaser entwickelt, charakterisiert und für Anwendungen eingesetzt. Mit diesem Konzept wurde ein effizienter Röntgenlaserbetrieb im Bereich von ~50 bis ~200 Elektronenvolt demonstriert. Mit der Implementierung eines speziell entwickelten Mach-Zehnder Interferometers im Front-End des "chirped pulse amplification" (CPA) (Verstärkung Wellenlängen-kodiert gestreckter Pulse) Lasers, konnte ein voll konfigurierbarer Doppelpuls erzeugt werden, der zum optimalen Pumpen eines Röntgenlasers eingesetzt wurde.rnDie Mach-Zehnder Einheit ermölichte die Erzeugung von zwei Pulsen verschiedener Pulsdauer und variablem Energieverhätnis bei einer justierbaren Zeitverzögerung. Die Doppelpuls-Konfiguration wurde neben dem Pumpen von Röntgenlasern auch zur Messung des B-Integrals in zwei verschiedenen CPA Lasersystemen durch Verstärkung von kurzen Pulsreplika, gefolgt von einer zeitlichen Analyse, benutzt. Die Messung von B-Integralwerten von 0,1 bis 1,5 Radians, begrenzt nur durch die zur Verfügung stehenden Laserparameter, zeigt das Potenzial zur Charakterisierung von nicht-linearen Effekten in CPA Lasersystemen.rnZum Pumpen der Röntgenlaser wurde der Doppelpuls derart konfiguriert, dass eine optimale Erzeugung des Lasermediums für die Röntgenverstärkung erreicht wurde. Die Fokussierungsgeometrie der zwei ko-linearen Laserpulse unter demselben streifend auf das Target auftreffenden Einfallswinkel verbesserte signifikant die Erzeugung des aktiven Plasmamediums. Auf der einen Seite wurde der Effekt durch den instrinsisch garantierten exakten Überlapp der zwei Pulse rnauf dem Target bewirkt, auf der anderen Seite wurde, durch die Erzeugung des Vorplasmas unter streifendem Einfallswinkel, der aktive Bereich des Röntgenlasers zu höherer Elektronendichte verschoben, was eine höhere Verstärkung in länger-welligen Röntgenlasern und eine höhere Effizienz in kürzer-welligen Röntgenlasern zur Folge hatte. Die Erhöhung der Verstärkung konnte durch Plasma-Hydrodynamik-Simulationen bestätigt werden.rnDie erste Anwendung des Doppel-Kurzpuls-Einzelstrahl-Pumpens unter streifendem Einfallswinkel für Röntgenlaser unterhalb von 20 Nanometern in der Laseranlage PHELIX in Darmstadt (Deutschland) resultierte in einem verlässlichen Betrieb eines Nickel-ähnlichem Palladium-Röntgenlasers bei 14.7 Nanometern mit einer stark reduzierten Pumpschwellenenergie von weniger als 500 Millijoule. Mit der Anpassung des Konzepts zum Doppelpuls-Einzelstrahl-Pumpen unter streifendem Einfall (Abkürzung: DGRIP) und dem Transfer dieser Technologie zur Laseranlage LASERIX in Palaiseau (Frankreich), konnte die Effizienz und Stabilität des hoch-repetierenden "table-top" Röntgenlasers im Wellenlängenbereich unter 20 Nanometern gesteigert werden. 2 Microjoule Röntgenlaserenergie basierend auf Nickel-ähnlichem Molybdän bei 18.9 Nanometern wurde mit einer Gesamtpumpenergie von weniger als 1 Joule auf dem Target bei 10 Hertz Repetitionsrate erzeugt, was die Attraktivität für einen Betrieb bei hoher mittlerer Leistung zeigte. Die einfache und schnelle Justageprozedur erfüllt die Voraussetzungen für eine technisch ausgereifte Installation, und die hoch-stabile Ausgangsenergie den Wunsch nach einer verlässlichen, starken Röntgenlaserquelle. Die Qualitäten des DGRIP-Schemas wurden schließlich durch den Bestrahlungsbetrieb von Nutzerproben mit über 50.000 Schüssen bestätigt, was einer akkumulierten Dosis von ~ 50 Millijoule entsprach.rnDie Erzeugung von Doppelpulsen mit hohen Energien von bis zu ~120 Joule ermöglichte den Röntgenlaserbetrieb bei noch kürzeren Wellenlängen in der Laseranlage PHELIX. Diese Anwendung des DGRIP-Schemas bewährte sich als einfache und effiziente Methode zur Erzeugung von Röntgenlasern unterhalb von 10 Nanometern. Beim Nickel-ähnlichen Samarium-Röntgenlaser bei 7.3 Nanometern konnte eine Pumpschwellenenergie von nur 36 Joule erreicht werden, was die Tauglichkeit des angewandten Pumpschemas zeigte. Durch die Einzelstrahl-Pumpgeometrie wurde ein verlässlicher und stabiler Röntgenlaserbetrieb trotz großer Optik-Aperturen erreicht. Das Beispiel des Nickel-ähnlichen Samarium-Röntgenlasers war ein wichtiger Meilenstein für die Eignung dieses Pumpschemas auch bei hohen Pumplaserenergien, die notwendig sind, um Röntgenlaserwellenlängen im Wasserfenster zu erreichen. Die Reduzierung der Gesamtpumpenergie unter 40 Joule für den 7.3 Nanometer kurzen Röntgenlaser erfüllt nun die Voraussetzungen für eine Installation im hoch-repetierenden Betrieb der Laseranlage LASERIX.rn
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4638
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-23297
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	161 S.
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