The work described in this thesis is concerned with the experimental investigation of the acceleration of high energy proton pulses generated by relativistic laser-plasma interaction and their application. Using the high intensity 150 TW Ti:sapphire based ultra-short pulse laser Draco, a laser-driven proton source was set up and characterized. Conducting experiments on the basis of the established target normal sheath acceleration (TNSA) process, proton energies of up to 20 MeV were obtained. The reliable performance of the proton source was demonstrated in the first direct and dose controlled comparison of the radiobiological effectiveness of intense proton pulses with that of conventionally generated continuous proton beams for the irradiation of in vitro tumour cells. As potential application radiation therapy calls for proton energies exceeding 200 MeV. Therefore the scaling of the maximum proton energy with laser power was investigated and observed to be near-linear for the case of ultra-short laser pulses. This result is attributed to the efficient predominantly quasi-static acceleration in the short acceleration period close to the target rear surface. This assumption is furthermore confirmed by the observation of prominent non-target-normal emission of energetic protons reflecting an asymmetry in the field distribution of promptly accelerated electrons generated by using oblique laser incidence or angularly chirped laser pulses. Supported by numerical simulations, this novel diagnostic reveals the relevance of the initial prethermal phase of the acceleration process preceding the thermal plasma sheath expansion of TNSA. During the plasma expansion phase, the efficiency of the proton acceleration can be improved using so called reduced mass targets (RMT). By confining the lateral target size which avoids the dilution of the expanding sheath and thus increases the strength of the accelerating sheath fields a significant increase of the proton energy and the proton yield was observed.

Ziel dieser Arbeit war die Berechnung elektromagnetischer Nahfelder, die wesentlich sind für die Charakterisierung von Strukturen im Submikrometerbereich. Diese Aufgabenstellung wurde im Rahmen der klassischen Elektrodynamik unter Vernachlässigung von quantenmechanischen und relativistischen Effekten durchgeführt. Die untersuchten Modellsysteme bestanden aus stückweise homogenen Medien. Eine Beschränkung auf eine harmonische Zeitabhängigkeit der Felder fand nicht statt. Zum Einsatz kamen analytische (Mie-Theorie und deren Erweiterungen), semi-analytische (MMP) und rein numerische Methoden (FDTD). Besonders umfassend wurden die Eigenschaften evaneszenter Wellen untersucht. Entgegen der oft üblichen Vorgehensweise wurden die Beschränkung auf 2-dimensionale Modelle vermieden und Metalle nicht idealisiert als perfekt leitend, sondern realistisch über einen komplexen Brechungsindex bzw. über ein äquivalentes Drude-Modell beschrieben. Nur so ist es möglich die Ausbreitung von surface plasmon polaritons zu modellieren und den Einfluß von Volmenplasmonen zu berücksichtigen. Untersucht wurden periodische und nicht periodische Strukturen aus dielektrischen und metallischen Materialien. Solche Systeme sind nützlich aufgrund der Bildung von photonischen Bandlücken (Dielektrika) und der Realisierung hoher Feldverstärkungen (Metalle). Die erste Eigenschaft kann für die Konstruktion von besonders effektiven Laser und die zweite im Rahmen der oberflächenverstärkten Raman-Streuung angewendet werden. Eine weiterer Schwerpunkt dieser Dissertation war die Analyse nahfeld-optischer Mikroskope (SNOM). Mit solchen Apparaturen kann eine Auflösung jenseits des Abbe-Limit erreicht werden. Untersucht wurden die Abbildungseigenschaften aperturloser Nahfeld-Mikroskope und die Ausbreitung von Femto-Sekunden Pulsen in einem konventionellen SNOM, welches mit einer metallbeschichteten Glasfaser ausgestattet ist. Die zweite Fragestellung ist relevant für die Kombination von hoher räumlicher mit hoher zeitlicher Auflösung.

Ziel dieser Arbeit war die Berechnung elektromagnetischer Nahfelder, die wesentlich sind für die Charakterisierung von Strukturen im Submikrometerbereich. Diese Aufgabenstellung wurde im Rahmen der klassischen Elektrodynamik unter Vernachlässigung von quantenmechanischen und relativistischen Effekten durchgeführt. Die untersuchten Modellsysteme bestanden aus stückweise homogenen Medien. Eine Beschränkung auf eine harmonische Zeitabhängigkeit der Felder fand nicht statt. Zum Einsatz kamen analytische (Mie-Theorie und deren Erweiterungen), semi-analytische (MMP) und rein numerische Methoden (FDTD). Besonders umfassend wurden die Eigenschaften evaneszenter Wellen untersucht. Entgegen der oft üblichen Vorgehensweise wurden die Beschränkung auf 2-dimensionale Modelle vermieden und Metalle nicht idealisiert als perfekt leitend, sondern realistisch über einen komplexen Brechungsindex bzw. über ein äquivalentes Drude-Modell beschrieben. Nur so ist es möglich die Ausbreitung von surface plasmon polaritons zu modellieren und den Einfluß von Volmenplasmonen zu berücksichtigen. Untersucht wurden periodische und nicht periodische Strukturen aus dielektrischen und metallischen Materialien. Solche Systeme sind nützlich aufgrund der Bildung von photonischen Bandlücken (Dielektrika) und der Realisierung hoher Feldverstärkungen (Metalle). Die erste Eigenschaft kann für die Konstruktion von besonders effektiven Laser und die zweite im Rahmen der oberflächenverstärkten Raman-Streuung angewendet werden. Eine weiterer Schwerpunkt dieser Dissertation war die Analyse nahfeld-optischer Mikroskope (SNOM). Mit solchen Apparaturen kann eine Auflösung jenseits des Abbe-Limit erreicht werden. Untersucht wurden die Abbildungseigenschaften aperturloser Nahfeld-Mikroskope und die Ausbreitung von Femto-Sekunden Pulsen in einem konventionellen SNOM, welches mit einer metallbeschichteten Glasfaser ausgestattet ist. Die zweite Fragestellung ist relevant für die Kombination von hoher räumlicher mit hoher zeitlicher Auflösung.

Breitstreifenlaser haben eine breite Emissionsapertur, die es ermöglicht eine hohe Ausgangsleistung zu erreichen. Gleichzeitig führt sie jedoch zu einer Verringerung der lateralen Strahlqualität und zu ihrem nicht-stationären Verhalten. Forschung in diesem Gebiet ist anwendungsgetrieben und somit ist das Hauptziel eine Erhöhung der Brillanz, die sowohl die Ausgangsleistung als auch die laterale Strahlqualität beinhaltet. Um die zugrunde liegenden raumzeitlichen Phänomene zu verstehen und dieses Wissen zu nutzen, um die Kosten der Brillanz-Optimierung zu minimieren, ist ein selbst-konsistentes Simulationstool notwendig, welches die wichtigsten Prozesse beinhaltet. Zunächst wird in dieser Arbeit ein quasi-dreidimensionales elektro-optisch-thermisches Model präsentiert, welches wesentliche qualitative Eigenschaften von realen Bauteilen gut beschreibt. Zeitabhängige Wanderwellen-Gleichungen werden genutzt, um die inhärent nicht-stationären optischen Felder zu beschreiben, welche an eine Ratengleichung für die Überschussladungsträger in der aktiven Zone gekoppelt sind. Das Model wird in dieser Arbeit um eine Injektionsstromdichte erweitert, die laterale Stromspreizung und räumliches Lochbrennen korrekt beschreibt. Des Weiteren wird ein Temperaturmodel präsentiert, das kurzzeitige lokale Aufheizungen in der Nähe der aktiven Zone und die Formierung einer stationären Temperaturverteilung beinhalten. Im zweiten Teil wird das beschriebene Modell genutzt, um die Gründe von Brillanz-Degradierung, das heißt sowohl die Ursprünge der Leistungssättigung als auch des nicht diffraktionslimitierten Fernfeldes zu untersuchen. Abschließend werden im letzten Teil Laserentwürfe besprochen, welche die laterale Brillanz verbessern. Hierzu gehört ein neuartiges “Schachbrettlaser” Design, bei dem longitudinal-laterale Gewinn-Verlust-Modulation mit zusätzlicher Phasenanpassung ausgenutzt wird, um eine sehr geringe Fernfeld-Divergenz zu erhalten. / Broad-area lasers are edge-emitting semiconductor lasers with a wide lateral emission aperture that enables high output powers, but also diminishes the lateral beam quality and results in their inherently non-stationary behavior. Research in the area is driven by application and the main objective is to increase the brightness which includes both the output power and lateral beam quality. To understand the underlying spatio-temporal phenomena and to apply this knowledge in order to reduce costs for brightness optimization, a self-consistent simulation tool taking into account all essential processes is vital. Firstly, in this work a quasi-three-dimensional opto-electronic and thermal model is presented, that describes well essential qualitative characteristics of real devices. Time-dependent traveling-wave equations are utilized to describe the inherently non-stationary optical fields, which are coupled to dynamic rate equations for the excess carriers in the active region. This model is extended by an injection current density model to accurately include lateral current spreading and spatial hole burning. Furthermore a temperature model is presented that includes short-time local heating near the active region as well as the formation of a stationary temperature profile. Secondly, the reasons of brightness degradation, i.e. the origins of power saturation and the spatially modulated field profile are investigated and lastly, designs that mitigate those effects that limit the lateral brightness under pulsed and continuous-wave operation are discussed. Amongst those designs a novel “chessboard laser” is presented that utilizes longitudinal-lateral gain-loss modulation and an additional phase tailoring to obtain a very low far-field divergence.