Teleskoplinsen für Hochenergielaser PHELIX
Referenzprojekt
Hochleistungslaseroptiken für Schwerionenexperimente
Seit mehr als 20 Jahren wird am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt am Aufbau eines Hochleistungs- und Hochenergielasers für Grundlagenforschung im Bereich Hochenergiephysik geforscht. Das Resultat ist PHELIX (kurz für Petawatt High Energy Laser for Heavy Ion Experiments), für die Untersuchung grundlegender Prozesse der Plasma-, Astro- und Atomphysik. Die integrierte Strahlführung des Systems zur Realisierung von Kombinationsexperimenten mit Schwerionenstrahlen ermöglicht die Lenkung von Laserstrahlen über eine Entfernung von bis zu 60 m und erfolgt mit Hilfe eines Teleskops, welches den Laserstrahl bei konstanter Strahlqualität verkleinert. Für ideale Abbildungsqualitäten fertigte asphericon zwei hochpräzise Optiken für dieses Teleskop.
Projektdetails
Bereits Mitte der 1990er Jahre wurde am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt mit der Planung und dem Aufbau eines Hochleistungs- und Hochenergielasers für Grundlagenforschung im Bereich Hochenergiephysik begonnen. Das Ergebnis ist der Petawatt High Energy Laser for Heavy Ion Experiments (kurz: PHELIX), Deutschlands größtes Lasersystem im Pulsbetrieb, der seit über einem Jahrzehnt wissenschaftlichen Nutzern zur Verfügung steht. PHELIX dient der Untersuchung grundlegender Prozesse der Plasma-, Astro- und Atomphysik. Das System kann sowohl sehr kurze Laserpulse von ca. 500 fs Pulsdauer und 200 J Energie als auch Pulse mit hohen Energien mit Pulsdauern im Nanosekundenbereich erzeugen. Die Forschung des GSI zeichnet sich vor allem durch die in Europa einmalige Kombination von intensiven Laserpulsen und Schwerionenstrahlen aus. Das blitzlampengepumpte Nd-Glas-System besteht aus zwei Frontends, einem Vorverstärker und einem Hauptverstärker, schematisch zu sehen in folgendem Bild.
Bild 1: Schematischer Aufbau des Lasersystems PHELIX mit eingezeichnetem Strahlenverlauf
Laserstrahlen können innerhalb des Set-ups über mehrere, bis zu 60 m lange Strahlführungen an verschiedene Messplätze gelenkt und für Experimente genutzt werden. Um Kombinationsexperimente von Schwerionenstrahlen und Hochleistungslaser zu realisieren, wurde eine neue Strahlführung entwickelt. Diese erlaubt es, die mit dem Ionenstrahl aus dem Schwerionensynchrotron bestrahlte Materie mithilfe von Röntgenpulsen zu untersuchen, die mit dem PHELIX-Puls erzeugt werden. Die Strahlführung beinhaltet ein Teleskop, welches den Laserstrahl bei konstanter Strahlqualität verkleinern soll. Für ideale Abbildungsqualitäten fertigte asphericon zwei hochpräzise Optiken für dieses.
Projektrealisierung
Hohe Laserintensitäten innerhalb des PHELIX stellen eine enorme Belastung für die eingebauten optischen Komponenten dar. Diese müssen zudem hohe Genauigkeiten und relative große Durchmesser aufweisen, um die Führung der Laserstrahlen auf große Distanzen möglich zu machen. asphericon fertigte zwei plan-konvexe sphärische Linsen aus Fused Silica für das Strahlführungsteleskop. Diese ermöglichen dank ihrer Durchmesser von 200 bzw. 350 mm und einem RMSi ≤ 50 nm (bei drei von vier Flächen sogar < 20 nm) den Transport der Laserstahlen über eine Entfernung von 48,5 m (vgl. Bild 2) bei gleichbleibender Strahlqualität und halten dank des Materials sowie ihrer Laserzerstörschwelle von 45 J/cmÇ; 1064 nm; 8 ns der hohen Laserleistung stand.
Bild 2: Schematischer Aufbau des Teleskops bestehend aus zwei plan-konvex Linsen. Angaben in mm.
Für die Herstellung der Optiken wurden spezielle Aufnahmevorrichtungen (vgl. Bild 3) für alle Prozessschritte angefertigt und darüber hinaus auch das Messregime individuell an die Projektbedürfnisse angepasst. Veredelt wurden alle Linsen mit einem V-Coating. Für den Transport der Sphären war es außerdem notwendig, neue Verpackungen herzustellen. asphericon entwickelte Sonderverpackungen, die verkipp- und schocksicher sind und eine reibungslose Lieferung an den Kunden ermöglichten.
Bild 3: Aufnahmevorrichtung und eine der gefertigten Optiken, hergestellt von asphericon.
Optiken für PHELIX auf einen Blick:
- Produktion zweier plan-konvexer sphärische Linsen aus Fused Silica, veredelt mit V-Coating
- Linsenspezifikationen: Durchmesser 200 bzw. 350 mm; RMSi ≤ 50 nm bzw. < 20 nm
- Entwicklung und Herstellung spezieller Aufnahmevorrichtungen sowie verkipp- und schocksicher Sonderverpackungen
