English Title: Design, Modelling and Setup of the 10 Joule-Preamplifier with Adaptive Optics for the Petawatt-Laser PHELIX

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Abstract

An der GSI Darmstadt entsteht derzeit der Petawatt-Laser für Schwerionen-Experimente, PHELIX. In Kombination mit dem Schwerionenbeschleuniger verspricht man sich neue Zugänge in der Erforschung von Licht-Materie Wechselwirkungen im Bereich von 10-100 eV. Der Laser ist als MOPA-System entworfen und erzeugt 1-20 ns lange Pulse mit Energien bis zu 5 kJ oder 500 fs lange Pulse mit Intensitäten bis zu 10^{21}W/cm². Diese Arbeit beschäftigt sich zum einen mit der Entwicklung, der Modellierung und dem Aufbau des 10 Joule, 30 Terawatt Vorverstärkers von PHELIX. Zum anderen werden neue Techniken der Kompensation von Wellenfrontstörungen untersucht und eine adaptive Optik für den PHELIX entwickelt und in das System integriert. Das Lasersystem besteht aus drei Blitzlampen-gepumpten Verstärkerstufen mit Laserstäben aus Nd:Glas. Die Verstärkung der kurzen Pulse beruht auf der CPA-Technologie. Daraus resultieren besondere Anforderungen, die für PHELIX und speziell für den Vorverstärker diskutiert und in der Entwicklung berücksichtigt werden. Hochenergielaser sind in ihrer Leistung durch Wellenfrontverzerrungen begrenzt. Durch Modellierung des räumlichen Strahlprofils durch Phasenkonjugation kann die Intensitätsverteilung im Brennpunkt verbessert werden. Zunächst wurden die Auswirkungen von thermisch verursachten Wellenfrontstörungen untersucht. Das Verhalten bimorpher Spiegel in Hochenergielasern wurde analysiert. Es gelang, bei zwei Multiterawattlasern die Wellenfront drastisch zu verbessern. Ferner wurde erstmals an einem 100 TW-Laser, der außerhalb des thermischen Gleichgewichts betrieben wurde, im komprimierten Puls durch Vorkompensation der Wellenfrontstörungen Foki nahe dem Beugungslimit erreicht.

Translation of abstract (English)

At GSI Darmstadt the PHELIX (Petawatt-High-Energy-Laser-for-Heavy-Ion-Research) laser is under construction. The project is aiming at new research prospects in light-matter interaction in the regime of 10-100 eV using the combination of energetic heavy-ion pulses and ultra-high power laser pulses. The Laser is designed as a MOPA-System and delivers either pulses of 1-20 ns duration and energies up to 5 kJ or short pulses of 500 fs duration with intensities up to 10^{21} W/cm². This PhD thesis first aims at the design, modelling and setup of the 10 Joule, 30 Terawatt Preamplifier of PHELIX. Second, new techniques of aberration compensation are studied and adaptive optics for PHELIX is investigated and implemented. The Preamplifier consists of three flashlamp-pumped Nd:Glas rod-amplifiers. For short-pulse amplification the CPA-technique is used. Thus special requests are on PHELIX and its preamplifier which are discussed and included in the design studies. High-Energy-Lasers are limited in their performance by thermally introduced wavefront distortions. Shaping the beam spatially by phase conjugation changes the intensity distribution in the focus which therefore can be improved. Thus, thermal introduced aberrations in High-Energy-Lasers were investigated and the potential of improvement using bimorph deformable mirrors studied. A dramatic improvement of the wavefront at two High-Energy-Laser systems was shown. By precompensation of aberrations with the use of an adaptive mirror almost diffraction limited spots for the compressed pulse were obtained at a 100 TW-Laser running highly off thermal equilibrium.