Laser impulse coupling measurements at 400 fs and 80 ps using the LULI facility at 1057 nm wavelength

At the École Polytechnique « LULI » facility, we have measured the impulse coupling coefficient Cm (target momentum per joule of incident laser light) with several target materials in vacuum, at 1057 nm and 400 fs and 80 ps pulse duration. A total of 64 laser shots were completed in a two-week experimental campaign, divided between the two pulse durations and among the materials. Our main purpose was to resolve wide discrepancies among reported values for Cm in the 100 ps region, where many applications exist. A secondary purpose was to compare Cm at 400 fs and 80 ps pulse duration. The 80 ps pulse was obtained by partial compression. Materials were Al, Ta, W, Au, and POM (polyoxymethylene, trade name Delrin). One application of these results is to pulsed laser ablation propulsion in space, including space debris re-entry, where narrow ranges in Cm and specific impulse Isp spell the difference between dramatic and uneconomical performance. We had difficulty measuring mass loss from single shots. Imparted momentum in single laser shots was determined using pendulum deflection and photonic Doppler velocimetry. Cm was smaller at the 400 fs pulse duration than at 80 ps. To our surprise, Cm for Al at 80 ps was at most 30 N/MW with 30 kJ/m2 incident fluence. On the other extreme, polyoxymethylene (POM, trade name Delrin) demonstrated 770 N/MW under these conditions. Together, these results offer the possibility of designing a Cm value suited to an application, by mixing the materials appropriately

Transfers from Earth to LEO and LEO to interplanetary space using lasers

New data on some materials at 80ps pulse duration and 1057 nm wavelength give us the option of proportionally combining them to obtain arbitrary values between 35 (aluminum) and 800 N/MW (POM, polyoxymethylene) for momentum coupling coefficient Cm. Laser ablation physics lets us transfer to LEO from Earth, or to interplanetary space using repetitively pulsed lasers and Cm values appropriate for each mission. We discuss practical results for lifting small payloads from Earth to LEO, and space missions such as a cis-Mars orbit with associated laser system parameters

Visualizing Ultrafast Kinetic Instabilities in Laser-Driven Solids using X-ray Scattering

Ultra-intense lasers that ionize and accelerate electrons in solids to near the speed of light can lead to kinetic instabilities that alter the laser absorption and subsequent electron transport, isochoric heating, and ion acceleration. These instabilities can be difficult to characterize, but a novel approach using X-ray scattering at keV energies allows for their visualization with femtosecond temporal resolution on the few nanometer mesoscale. Our experiments on laser-driven flat silicon membranes show the development of structure with a dominant scale of ~60\unit{nm} in the plane of the laser axis and laser polarization, and ~95\unit{nm} in the vertical direction with a growth rate faster than $0.1/\mathrm{fs}$. Combining the XFEL experiments with simulations provides a complete picture of the structural evolution of ultra-fast laser-induced instability development, indicating the excitation of surface plasmons and the growth of a new type of filamentation instability. These findings provide new insight into the ultra-fast instability processes in solids under extreme conditions at the nanometer level with important implications for inertial confinement fusion and laboratory astrophysics

Aufbau und Erprobung eines Röntgen-Backlighters zu Untersuchung dichter Plasmen

Die Untersuchung dichter Plasmen und deren Wechselwirkung mit Ionenstrahlen ist ein aktuelles und zentrales Forschungsgebiet der Arbeitsgruppe Plasmaphysik an der Gesellschaft für Schwerionenforschung mbH in Darmstadt. Die Verwendung und Entwicklung von Plasmadiagnostiken zur Bestimmung von Plasmaparametern wie Temperatur, Dichte und mittleren Ladungszustand ist dabei ein wichtiges Teilgebiet.Eine solche Diagnostik ist der Röntgen-Backlighter. Bei diesem experimentellen Aufbau wird die Röntgenemission eines Laserplasmas benutzt, um ein Plasma zu durchleuchten. Somit ist es möglich, mit hoher zeitlicher Auflösung Plasmen abzubilden und Absorptionsspektroskopie zu betreiben.In dieser Arbeit wurde die Röntgenemission der Plasmen, die mit dem an der GSI installieren Nd:Glas-Lasersystem erzeugt werden, untersucht. Dabei wurden Quellgröße, zeitliches Profil und spektrale Verteilung der Röntgenstrahlung von verschiedenen Materialien gemessen. Es stellte sich heraus, dass sich Aluminium bei der zur Verfügung stehenden Laserpulsenergie optimal als Targetmaterial für eine Röntgenquelle eignet.Mit einem Teil des Laserstrahls, der ausgekoppelt wurde, wurde dann ein Backlighter-System aufgebaut. Somit ist die Erzeugung eines Laserplasmas und der Betrieb des Backlighters simultan mit einem Lasersystem möglich. Mit strukturierten Festkörpertargets konnte die Funktionstüchtigkeit des Aufbaus demonstriert werden.Desweiteren wurden Studien am ns-Frontend des neuen Hochenergie-Lasersystems PHELIX durchgeführt, die die Eignung dieses Systems für zukünftige Backlighter-Experimente demonstrieren. Eine Besonderheit ist dabei die Möglichkeit, mehrere Laserpulse in ns-Abständen zu erzeugen. Mit einem so getriebenen Röntgen-Backlighter kann der zeitliche Ablauf von schnellen Prozessesen, wie z.B. die Expansion von Plasmen, untersucht werden