Kurzfassung
In den letzten Jahrzehnten haben sich Laser-Plasma-Beschleuniger als revolutionäre Tech-
nologie für die Elektronenbeschleunigung etabliert.
Sie sind in der Lage, extrem hohe Beschleunigungsgradienten von bis zu 100 GV/m auf-
rechtzuerhalten, und ermöglichen die Erzeugung von Elektronenstrahlen mit Pulsdauern
von wenigen Femtosekunden. Dies macht sie zu einer kompakten und kosteneffizienten
Lösung für zahlreiche industrielle, kommerzielle und medizinische Anwendungen. Um je-
doch den Übergang von experimentellen Aufbauten zu praktischen Anwendungen zu er-
möglichen, ist es entscheidend, ihre Stabilität, Zuverlässigkeit und Wiederholrate zu verbes-
sern. In diesem Zusammenhang bieten industrielle Yb-Laser dank ihres geringen quanten-
mechanischen Defekts, herausragender Effizienz und hoher durchschnittlicher Leistung ei-
ne vielversprechende, wirtschaftlich effiziente Alternative.
Diese Arbeit untersucht die Eignung industrieller Yb:YAG-Laser als Treiber für Plasma-
Beschleuniger. Ein zentraler Aspekt ist die zeitliche Kompression des Laser-Ausgangspul-
ses von seiner typischen Pikosekunden-Dauer auf nur wenige optische Zyklen. Zur Bewäl-
tigung dieser Herausforderung wird ein effizientes Kompressionsschema eingeführt, das
aus zwei Mehrfachdurchgangszellen besteht und den bisher höchsten Kompressionsfaktor
für einen Laserpuls im Bereich von 10 mJ erreicht. Neben dem Laserpuls spielt die verwen-
dete Plasmaquelle eine entscheidende Rolle bei der Laser-Plasma-Wechselwirkung, da sie
das Plasmadichteprofil vorgibt. Es wird eine umfangreiche Analyse der gebräuchlichsten
Quellen präsentiert, um anschließend eine neuartige mikrofluidische Plasmaquelle mit au-
ßergewöhnlichen Feinabstimmungsmöglichkeiten zu entwickeln. In diesem Kontext wird
ein innovatives Werkzeug zur Optimierung von Plasmaquellen konzipiert, das Strömungs-
mechanik und Particle-in-Cell-Simulationen in einem Bayes’schen Optimierungsalgorith-
mus vereint und das Potenzial hat, die Leistungsfähigkeit von Plasma-Beschleunigern si-
gnifikant zu steigern, besonders in anwendungsorientierten Szenarien. Schließlich wird der
komprimierte Laserpuls verwendet, um erstmals Plasma¬wellen zu demonstrieren, die von
einem industriellen Yb:YAG-Laser angetrieben werden. Die Laser-Plasma-Wechselwirkung
sowie ihre charakteristischen Merkmale und Grenzen werden ausführlich untersucht, und
es wird ein klarer Weg aufgezeigt, um die erste Elektronenbeschleunigung im Bereich von
wenigen MeV mithilfe industrieller Yb-Laser zu erreichen.
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Over the past two decades, laser plasma accelerators (LPAs) have emerged as a ground- breaking technology with immense potential for electron acceleration. Their ability to sus- tain exceptionally high accelerating gradients, on the order of 100 GV/m, and provide elec- tron bunches with only few femtoseconds duration, promises a compact, cost-effective so- lution for numerous industrial, commercial, and medical applications. Yet, to transition from experimental setups to practical applications, it is crucial to enhance their robust- ness, reliability, and repetition rate. In this context, industrial-quality Ytterbium:Yttrium- aluminium-garnet (Yb:YAG) lasers present an ideal, economically-efficient option, thanks to their inherently small quantum defect, high slope efficiency and high average power. This thesis explores the feasibility of using industrial Yb:YAG lasers as drivers for plasma accelerators. Typically, these lasers deliver pulses of relatively long duration, extending to the picosecond-level. However, to excite a plasma wave, femtosecond durations are usually required. Hence, the temporal compression of the laser output to a few optical cycles is the first critical aspect under analysis. To address this challenge, an efficient double multi-pass- cell (MPC) post-compression scheme is employed, achieving the highest-ever compression factor to date for a 10 mJ-level pulse. In addition to the driver laser, the plasma source plays a key role in the laser-plasma in- teraction, shaping the plasma density profile. Therefore, an extensive analysis of the most common sources for high-average-power LPA is presented. To overcome the limitations usually faced, a novel microfluidic source is proposed with unique capabilities for precise tailoring of the plasma profile along the laser axis, at the µm level. Its exceptional fine- tuning ability is demonstrated through a pioneering Bayesian optimisation tool, combining fluid dynamics and particle-in-cell simulations. This novel optimisation approach holds the promise to significantly boost the performances of LPA, particularly in application- oriented scenarios. Finally, the post-compressed laser output is used to demonstrate, for the first time, a plasma wakefield driven by an industrial Yb:YAG laser. The laser-plasma interaction is thor- oughly analysed and a clear path towards the first industrial-laser-drivem electron acceler- ation is presented. 7