Petawatt High Energy Laser for Heavy Ion Experiments

Weltweiter Vergleich von PHELIX mit anderen Hochenergie-Lasersystemen (Stand 2009)

Aufbau des PHELIX-Hauptverstärkers im Reinraum, 2 Laserdisks je Verstärker

Näher dran: Blick in den PHELIX-Hauptverstärker, links und rechts sind die Blitzröhrenpanelen zum Pumpen der Laserdisks zu sehen

Eigenschaften des Laserstrahles:
1. Nahfeld mit Füllfaktor und Energiedichte, 2. Strahlqualität im Fernfeld, 3. Pulsdauer und spektrale Breite (Linienbreite)

Ansicht der Petawatt-Kammer (Rückkomprimierung des Laserstrahls) mit Röntgenlaser-Experiment

Schematische Innenansicht der Petawatt-Kammer mit Strahlverlauf und Minibildern von Konstruktion und Bau

Targetkammer des Z6-Experimentierplatzes für Ionen- und Laserstrahlexperimente. Von links oben kommt der fokussierende Laserstrahl; aus dem Bild der Ionenstrahl.

Schematischer Aufbau des PHELIX-Lasersystems nach Subsystemen und Komponenten.^[1]

Der Petawatt High Energy Laser for Heavy Ion Experiments (PHELIX) ist ein Hochleistungs- und Hochenergie- Laser für Grundlagenforschung im Bereich der Hochenergiephysik am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt. Mit der Anlage sollen fundamentale Prozesse in der Plasma-, Astro- und Atomphysik erforscht werden.

Es ist derzeit (Stand 2015) Deutschlands größtes Lasersystem im Pulsbetrieb. Seine besondere wissenschaftliche Stellung zeichnet sich durch die in Europa einmalige Möglichkeit der Kombination von hochenergetischen Photonen und Teilchen aus, wie sie an der GSI durch die bereits bestehenden Schwerionen-Teilchenbeschleuniger gegeben ist.

Geschichte

Die Arbeit an PHELIX begann 1995 mit Vorstudien über Kernfusion durch die Kombination von Laser und Schwerionen bis hin zur Projektstudie des Lasersystems von 1998 und der Genehmigung zum Aufbau im selben Jahr. In Kooperation mit dem französischen CEA kam es zur Lieferung von ersten Geräten vom stillgelegten PHEBUS-Lasersystem in Frankreich (Gegenstück des amerikanischen Nova-Lasersystems) schon 1999 und 2000. Die Projekt- und Bauphase von Hauptgebäude und Versorgungstechnik war von 1998 bis 2000 (Einweihung zur 30 Jahr Feier der GSI). Mit der Inbetriebnahme des Fs-Frontendsystems 2001 durch eigene Mitarbeiter und Physiker von General Atomics war ein schneller Weg beschritten.

Der Aufbau der Hauptverstärkerkette, der Hauptkomponenten und der Strahlführung zum ersten Licht versus Teilchen-Experimentierplatz gestaltete sich wesentlich schwieriger. Zum einen da der Vertrag zwischen dem DOE der USA und dem BMBF über die Zusammenarbeit im Bereich Physik dichter Plasmen erst 2002^[2] zustande kam (Komponenten an der GSI 2003). Zum anderen dadurch, dass viele Komponenten neu oder nach intensiver Renovierung neu aufgebaut werden mussten.

Hohe Anforderungen an Strahlqualität und -stabilisierung forderten das machbare technologische Limit heraus; das betraf vor allem die Planität der Optiken mit über einem halben Meter Durchmesser, insbesondere der Spiegel, deren Beschichtung und interferometrische Kontrolle. Die Anforderungen im Strahlbereich müssen besser als Reinraumklasse ISO-5 (Reinraumklasse 100 nach US Federal Standard 209E^[3]) sein, um Zerstörungen der Optik zu vermeiden. Die Beschaffung und Installation der Hochleistungsoptiken, der komplette Neuaufbau einer Diagnostik sowie der Umbau der Strahlführung zwischen Lasergebäude und Experimentierplatz führten zu einer Verzögerung der Inbetriebnahme des Gesamtsystems. Erste Experimente mit Teilsystemen des Lasers fanden bereits ab 2004 statt^[4].

Aufbau und Technik

Der Aufbau entstand in enger wissenschaftlicher und materieller Zusammenarbeit mit dem französischen Commissariat à l'énergie atomique (CEA) und dem Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) der USA. Von beiden Forschungseinrichtungen stammen Komponenten des Nova-Lasersystems, die zum Aufbau des Hauptverstärkers, des Hochspannungsladesystems und der Diagnostik benutzt wurden.

PHELIX ist eine Kombination von hintereinandergeschalteten Lasern zur Erzeugung hoher Energie und Leistung. Beim Hauptsystem handelt sich um einen durch Blitzlampen gepulsten Nd:glass-Festkörperlaser, der für eine derzeitige Energie von 0,5–1 Kilojoule und eine Leistung von 0,5 Petawatt ausgelegt ist. In der Endstufe waren 5 kJ und 1 PW vorgesehen, können aber aus Kostengründen derzeit nicht realisiert werden.

Zwei Frontend-Systeme erzeugen Laserstrahlen mit Nanosekunden (1–10 ns) oder Femtosekunden (≈500 fs) Pulsdauer (Ultrakurzpulslaser).

Frontend-Systeme

Femtosekunden-Frontend (Kurzpuls)

Ein kommerziell erworbener Titan:Saphir-Laseroszillator der Firma Coherent erzeugt Pulse von 76 MHz, einer Pulsdauer von 100 fs und Energien kleiner 5 nJ.

Bei zu hoher Energie pro Flächeneinheit und Pulslänge führen technische Limits (beispielsweise die Laserzerstörschwelle LDT^[5] von optischen Beschichtungen) oder nichtlineare optische Effekte zur Zerstörung der optischen Elemente. Der Femtosekunden-Laserpuls der hochenergetischen Laser muss deshalb vor der Verstärkung räumlich aufgeweitet und zeitlich gestreckt werden.

Die zeitliche Streckung des Strahles geschieht dabei über das Chirped Pulse Amplification Verfahren. Der gestreckte Puls wird dann in zwei regenerativen Ti:Saphir-Verstärkern mit einer Wiederholrate von 10 Hz verstärkt. Die erreichbare Energie liegt bei etwa 30 mJ. Durch die Verwendung ultraschneller Pockelszellen kann ein Intensitätskontrast^[6] von mehr als 60 dB erreicht werden. Ein selbst entwickeltes Mach-Zehnder-Interferometer im Strahlengang gestattet es, Doppelpulse mit einstellbarem Abstand, Energie und Streckungsverhältnis zu erzeugen.

Während für die dafür erforderliche Pulsaufweitung mit kleinen Optiken gearbeitet wird (Größenordnung wenige Zentimeter), ist für die Rückkomprimierung ein großer Petawatt-Kompressor notwendig. Dabei wird über zwei dielektrisch beschichtete (MLD – multilayer dielectric grating) optische Reflexionsgitter (mit Gitterkonstanten von typischerweise 1600–1800 Linien pro mm) der Laserpuls wieder auf Femtosekunden komprimiert. Die Größe der Kammer (2 × 6 m²) ist durch die vorher erfolgte räumliche Aufweitung über Teleskope auf hier schon typische Strahl-Durchmesser von etwa 250 mm gegeben.

Nanosekunden-Frontend (Langpuls)

Mit dem nach LLNL-Vorbild umgebauten System ist es möglich, Laserpulse mit Pulslängen zwischen 700 fs und 20 ns und frei wählbaren Pulsformen zu erzeugen. Ein kommerzieller cw-Laser wird verstärkt, ein akustooptischen Modulator erzeugt Pulse von etwa 100 ns, die es gestatten, über einen Intensitätsmodulator und einen anschließenden programmierbaren Wellenformgenerator zeitliche und intensitätsmodulierte Pulse oder Pulsketten zu generieren. Das ganze läuft in einem Fasersystem ab. Die etwa 10-nJ-Pulse werden in einem blitzlampengepumpten regenerativen Nd:Glas-Ringverstärker auf Energien von etwa 20 mJ mit einer Wiederholrate von einem halben Hertz verstärkt.

Vorverstärker (beide Pulse)

Der Vorverstärker besteht aus Stablasern – zwei blitzlampengepumpten Nd:Glas-Verstärkern mit 19 mm und einem mit 45 mm Durchmesser. Kurz- oder Langpuls können eingekoppelt und stufenweise in Keplerteleskopen aufgeweitet werden, um die Intensität unterhalb der Zerstörschwelle der optischen Komponenten zu halten. Abbildungsfehler des Laserstrahles werden mit Hilfe adaptiver Optik, einem verformbaren Spiegel, der Wellenfrontverzerrungen mit Hilfe eines Shack-Hartmann-Sensors korrigieren kann, behoben oder vorkorrigiert. Das Vorverstärkersystem verstärkt die Pulse bis in den Joule-Energiebereich. Raumfilter dienen als weiteres Korrekturglied für Abbildungsfehler.

Der Hauptverstärker

Das Hauptsystem des Lasers, das sogenannte DPA (Double Pass Amplifier) oder MA (Main Amplifier) Verstärkersystem, erzeugt bei doppeltem Durchgang (in sich gefaltet)^[7] den Hochenergie-Laserpuls. Die Verstärker beinhalten je zwei Laserglasscheiben, die aus platinfreien Kalium-Barium-Aluminium-Phosphat-Glas mit rund 2 Gewichtsprozent Nd³⁺ Ionen bestehen und reflexionsfrei unter Brewster-Winkel angeordnet sind. Die Besetzungsinversion im Laserglas wird über zwei seitlich angebrachte Blitzröhrenpanele erzeugt, die mit maximal 18 kV und 3,5 kA in ca. 1 ms Pulsdauer betrieben werden. Das Innere ist verspiegelt, um maximale Einkopplung der Energie in das Laserglas zu gewährleisten und Reflexionsverluste zu vermeiden. Ein nachgeschalteter Faraday-Isolator ist nötig, um mögliche Rückreflexe zu verhindern.

Das Frequenzverdopplungsmodul

Im Frequenzverdopplungsmodul (auch als SHG^[8] bezeichnet) von PHELIX können infrarote Laserpulse mit einer Dauer von 10⁻⁹ bis 10⁻⁸ Sekunden in grüne Laserpulse mit einer Wellenlänge von 527 nm konvertiert werden. Als nichtlinearer Kristall wird ein Typ II DKDP-Kristall (deuteriertes Kaliumdihydrogenphosphat) verwendet, der einen Durchmesser von 310 mm und eine Dicke von 25 mm hat. Die Modellrechnungen für die optimale Konversionseffizenz wurden in enger Zusammenarbeit mit den herstellenden Firmen durchgeführt. Der hygroskopische Kristall befindet sich in einer auf 0,5 °C temperaturstabilisierten und mit trockenem Stickstoff gespülten Box, die in einem mobilen Reinraum der Reinraumklasse ISO-5 (RR 100^[3]) installiert ist. Das neue, für die Generierung und Heizung von Plasmen so wichtige Modul, wurde im Dezember 2010 in Betrieb genommen. Die maximale gemessene Konversionseffizienz beträgt 60 % (Stand März 2011). Das Modul kommt für den Laserstrahl Richtung Experimentierplatz 2 zum Einsatz.

Technik

Das Lasersystem hat ein eigenes Gebäude. Dies ist durch einen dicken Betonboden als optischer Tisch schwingungsfrei gelagert. Von dort wird der Laserstrahl entweder direkt in die Laserbay (Experimentierplatz 1) oder über ein 80 m langes Strahlrohrsystem nach Z6 (Experimentierplatz 2) zum eigentlichen Bestimmungsort, dem Experiment, reflektiert. In Abhängigkeit vom Experimentierort wird mit Hilfe eines Parabolspiegel oder einer Linse der Laserstrahl auf das Target fokussiert und erreicht so im Fokus (Durchmesser hier typischerweise ≈10–30 µm) Intensitäten von bis zu 10²¹ W·cm⁻². Damit können Plasmazustände erzeugt werden, wie sie in der Sonne, in Gasriesen oder in Neutronensternen ablaufen.

Abhängig von Energie und Leistung kann ein Laserschuss alle 20 Minuten oder nur alle zwei Stunden abgegeben werden. Der Laser muss dabei in allen Subsystemen, mit dem GSI-Beschleuniger UNILAC und der Diagnostik der Experimente zeitlich über ein Triggersystem abgestimmt werden. Er besitzt ein eigenes Kontrollsystem, einem Framework, dass objektorientiert, skalierbar, verteilt, ereignisgesteuert und unter Berücksichtigung der GNU Public License frei verfügbar ist. Programmiert wird mit LabVIEW.

Der Laser zählt zur Klasse der Hochenergie-Petawattlaser (HEPW), von denen weltweit nur ein knappes Dutzend existieren oder im Aufbau sind.^[9]

Anwendung und Forschung

Der Laser nahm 2006 mit erstem Schussbetrieb seine Arbeit auf. 2007 wurde die erste Etappe mit 0,5 kJ erreicht^[10]. Seit 2008 werden erstmals Experimente am Experimentierplatz Z6 in Kombination mit dem Ionenstrahl des UNILAC Beschleunigers durchgeführt. Diese Experimente umfassen u. a. Röntgenstrahlen Streu-Experimente, Laser-induzierte Teilchenbeschleunigung, Untersuchungen zu warm dense matter -Materiezuständen oder Energieverlustexperimente an Ionen. Die Experimente profitieren von der einzigartigen Kombination von kohärenten Photonen und Ionen (geladenen Teilchen) hoher Energie und Intensität. Der PHELIX Laser kann als Heizstrahl für das Plasma oder als Diagnosestrahl (Spektroskopie) dienen. Auch reine Laserexperimente sind möglich und finden bereits statt (laserinduzierter Röntgenlaser^[11][12]).

Mit den daraus gewonnenen Erkenntnissen und dem weiteren Ausbau von PHELIX sind neben der reinen Grundlagenforschung auch Untersuchungen durchführbar, die Grundlagen für die Trägheitsfusion besonders mit Schwerionen legen, was an der GSI ab 1995 in einer Studiengruppe^[13][14] untersucht wurde. PHELIX ist Partner des europäischen Infrastrukturprojektes Integrated European Laser Laboratories (Laserlab Europe) und damit auch mit den großen europäischen Laser-Projekten ELI und HiPER verbunden, die auf die Grundlagenforschung bei höchsten Feldstärken (ELI) und die Energieerzeugung über laserinduzierte Fusion (Trägheitsfusion durch schnelle Zündung – Inertial Confinement Fusion by Fast Ignition)(HiPER) abzielen. Am neu entstehenden FAIR-Projekt der GSI ist ein Upgrade auf einen neuen Hochenergie-Petawattlaser in Vorbereitung.

In Lehre und Forschung wird mit den physikalischen Fachbereichen der Universitäten der TU Darmstadt, Universität Frankfurt am Main, der Uni Mainz und der FH Münster eng zusammengearbeitet. Mit der Universität Jena wird vor allem beim Aufbau des neugegründeten Helmholtz-Institut Jena^[15] zusammengearbeitet.

Ende Oktober 2009 wurde der 1000. Laserschuss abgegeben. Dabei hat es seit Mai 2008, dem Beginn des Experimentierbetriebes, 16 Forschungskampagnen gegeben.^[16]

2013 gelang es den Forschern mit durch den PHELIX-Laser erzeugten Protonen, die durch Laserbeschuss eines Targets entstehen und nur wenige Nanosekunden Pulslänge aufweisen, in eine konventionelle Beschleunigungsstruktur einzukoppeln.^[17]

Forschungspartner

• USA: National Ignition Facility am LLNL, Omega EP des Laboratory for Laser Energetics der University of Rochester, Z-pinch am Sandia Lab
• Großbritannien: Die Central Laser Facility des Rutherford Appleton Laboratory, besonders der Vulcan Laser
• Frankreich: Laser Mégajoule (LMJ) der CEA, LULI Laboratory an der Ecole Polytechnique, der PETAL (PETawatt Aquitaine Laser) als Nachfolger des LIL der CEA und als "Fore-runner" für HiPER
• Deutschland: Helmholtz Institut Jena, POLARIS Laser an der Friedrich-Schiller-Universität Jena, Max-Planck-Institut für Quantenoptik in München
• International: EU FP7 Rahmenprogramm (Laserlab Europe), ELI, HiPER

Quellen

Literatur

• FAIR Baseline Technical Report – 5.3 WDM – Warme Dense Matter (Memento vom 11. November 2012 im Internet Archive) (586 Seiten; PDF-Datei; 24,93 MB)
• J. D.Zuegel, S. Borneis, C. Barty et al.: Laser Challenges for Fast Ignition. In: Fusion Science & Technology. Band 49, Nr. 3, April 2006, S. 453–482, doi:10.13182/FST06-A1161. 

Weblinks / Verweise

Commons: PHELIX Lasersystem – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Offizielle Webseite. gsi.de; abgerufen am 23. Februar 2018 
• Hochleistungs-Laser an der GSI in Betrieb gegangen. In: Pressemitteilung. gsi.de, 16. Mai 2008; abgerufen am 23. Februar 2018. 
• Details zu Experimenten mit PHELIX in den GSI Scientific Reports (ab 2008, auf Englisch)
• Mitarbeit am internationalen HiPER Laser Projekt (Memento vom 5. Dezember 2010 im Internet Archive) (PDF-Datei; 242 kB)
• Fast Ignition Fusion (Memento vom 12. November 2011 im Internet Archive)
• Lena Weitz: An der Zerstörungsgrenze. In: Blog. helmholtz.de, 29. Oktober 2014; abgerufen am 23. Februar 2018. 
• Video: High-intensity laser beams to fathom our universe. Deutsche Welle, 8. August 2013; abgerufen am 23. Februar 2018 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 149: attempt to index field 'data' (a nil value)). 
• Podcast: HR Online: Radiobeitrag vom 29. September 2011: Harald Lesch erklärt die großen Weltmaschinen: Der Laser in Darmstadt

Einzelnachweise

49.9315768.680862Koordinaten: 49° 55′ 53,7″ N, 8° 40′ 51,1″ O