Establishing precise control over the unique beam parameters of laser-accelerated ions from relativistic ultra-short pulse laser-solid interactions has been a major goal for the past 20 years. While the spatio-temporal coupling of laser-pulse and target parameters create transient phenomena at femtosecond-nanometer scales that are decisive for the acceleration performance, these scales have also largely been inaccessible to experimental observation. Computer simulations of laser-driven plasmas provide valuable insight into the physics at play. Nevertheless, predictive capabilities are still lacking due to the massive computational cost to perform these in 3D at high resolution for extended simulation times. This thesis investigates the optimal acceleration of protons from ultra-thin foils following the interaction with an ultra-short ultra-high intensity laser pulse, including realistic contrast conditions up to a picosecond before the main pulse. Advanced ionization methods implemented into the highly scalable, open-source particle-in-cell code PIConGPU enabled this study. Supporting two experimental campaigns, the new methods led to a deeper understanding of the physics of Laser-Wake eld acceleration and Colloidal Crystal melting, respectively, for they now allowed to explain experimental observations with simulated ionization- and plasma dynamics. Subsequently, explorative 3D3V simulations of enhanced laser-ion acceleration were performed on the Swiss supercomputer Piz Daint. There, the inclusion of realistic laser contrast conditions altered the intra-pulse dynamics of the acceleration process significantly. Contrary to a perfect Gaussian pulse, a better spatio-temporal overlap of the protons with the electron sheath origin allowed for full exploitation of the accelerating potential, leading to higher maximum energies. Adapting well-known analytic models allowed to match the results qualitatively and, in chosen cases, quantitatively. However, despite complex 3D plasma dynamics not being reflected within the 1D models, the upper limit of ion acceleration performance within the TNSA scenario can be predicted remarkably well. Radiation signatures obtained from synthetic diagnostics of electrons, protons, and bremsstrahlung photons show that the target state at maximum laser intensity is encoded, previewing how experiments may gain insight into this previously unobservable time frame. Furthermore, as X-ray Free Electron Laser facilities have only recently begun to allow observations at femtosecond-nanometer scales, benchmarking the physics models for solid-density plasma simulations is now in reach. Finally, this thesis presents the first start-to-end simulations of optical-pump, X-ray-probe laser-solid interactions with the photon scattering code ParaTAXIS. The associated PIC simulations guided the planning and execution of an LCLS experiment, demonstrating the first observation of solid-density plasma distribution driven by near-relativistic short-pulse laser pulses at femtosecond-nanometer resolution. / Die Erlangung präziser Kontrolle über die einzigartigen Strahlparameter von laserbeschleunigten Ionen aus relativistischen Ultrakurzpuls-Laser-Festkörper-Wechselwirkungen ist ein wesentliches Ziel der letzten 20 Jahre. Während die räumlich-zeitliche Kopplung von Laserpuls und Targetparametern transiente Phänomene auf Femtosekunden- und Nanometerskalen erzeugt, die für den Beschleunigungsprozess entscheidend sind, waren diese Skalen der experimentellen Beobachtung bisher weitgehend unzugänglich. Computersimulationen von lasergetriebenen Plasmen liefern dabei wertvolle Einblicke in die zugrunde liegende Physik. Dennoch mangelt es noch an Vorhersagemöglichkeiten aufgrund des massiven Rechenaufwands, um Parameterstudien in 3D mit hoher Auflösung für längere Simulationszeiten durchzuführen. In dieser Arbeit wird die optimale Beschleunigung von Protonen aus ultradünnen Folien nach der Wechselwirkung mit einem ultrakurzen Ultrahochintensitäts-Laserpuls unter Einbeziehung realistischer Kontrastbedingungen bis zu einer Pikosekunde vor dem Hauptpuls untersucht. Hierbei ermöglichen neu implementierte fortschrittliche Ionisierungsmethoden für den hoch skalierbaren, quelloffenen Partikel-in-Zelle-Code PIConGPU von nun an Studien dieser Art. Bei der Unterstützung zweier Experimentalkampagnen führten diese Methoden zu einem tieferen Verständnis der Laser-Wake eld-Beschleunigung bzw. des Schmelzens kolloidaler Kristalle, da nun experimentelle Beobachtungen mit simulierter Ionisations- und Plasmadynamik erklärt werden konnten. Im Anschluss werden explorative 3D3V Simulationen verbesserter Laser-Ionen-Beschleunigung vorgestellt, die auf dem Schweizer Supercomputer Piz Daint durchgeführt wurden. Dabei veränderte die Einbeziehung realistischer Laserkontrastbedingungen die Intrapulsdynamik des Beschleunigungsprozesses signifikant. Im Gegensatz zu einem perfekten Gauß-Puls erlaubte eine bessere räumlich-zeitliche Überlappung der Protonen mit dem Ursprung der Elektronenwolke die volle Ausnutzung des Beschleunigungspotentials, was zu höheren maximalen Energien führte. Die Adaptation bekannter analytischer Modelle erlaubte es, die Ergebnisse qualitativ und in ausgewählten Fällen auch quantitativ zu bestätigen. Trotz der in den 1D-Modellen nicht abgebildeten komplexen 3D-Plasmadynamik zeigt die Vorhersage erstaunlich gut das obere Limit der erreichbaren Ionen-Energien im TNSA Szenario. Strahlungssignaturen, die aus synthethischen Diagnostiken von Elektronen, Protonen und Bremsstrahlungsphotonen gewonnen wurden, zeigen, dass der Target-Zustand bei maximaler Laserintensität einkodiert ist, was einen Ausblick darauf gibt, wie Experimente Einblicke in dieses bisher unbeobachtbare Zeitfenster gewinnen können. Mit neuen Freie-Elektronen-Röntgenlasern sind Beobachtungen auf Femtosekunden-Nanometerskalen endlich zugänglich geworden. Damit liegt ein Benchmarking der physikalischen Modelle für Plasmasimulationen bei Festkörperdichte nun in Reichweite, aber Experimente sind immer noch selten, komplex, und schwer zu interpretieren. Zuletzt werden daher in dieser Arbeit die ersten Start-zu-End-Simulationen der Pump-Probe Wechselwirkungen von optischem sowie Röntgenlaser mit Festkörpern mittels des Photonenstreu-Codes ParaTAXIS vorgestellt. Darüber hinaus dienten die zugehörigen PIC-Simulationen als Grundlage für die Planung und Durchführung eines LCLS-Experiments zur erstmaligen Beobachtung einer durch nah-relativistische Kurzpuls-Laserpulse getriebenen Festkörper-Plasma-Dichte, dessen Auflösungsbereich gleichzeitig bis auf Femtosekunden und Nanometer vordrang.

Proton sources driven by high-power lasers are a promising addition to the portfolio of conventional proton accelerators. Regarding particle cancer therapy, where tumours are irradiated with protons or ions, the novel accelerator technology can be particularly beneficial for translational research - the research branch in which results of basic research are transferred to new approaches for the prevention, diagnosis and treatment of cancer. The overarching aim in the thesis at hand was a translational pilot study to irradiate tumours on mice’s ears with laser-accelerated protons while achieving the quality level of conventional proton accelerators. This is the only way to compare the radiobiological data of the novel accelerator technology with those of the established ones. To enable such experiments a predetermined dose distribution according to the radiobiological model’s requirements must be delivered to a sample volume. Ergo, the laser-driven protons have to be transported and shaped after their initial acceleration. Intense laser-driven proton pulses, inherently broadband and highly divergent, pose a challenge to established beamline concepts on the path to application-adapted irradiation field formation, particularly for 3D. This work demonstrates the successful implementation of a highly efficient and tuneable pulsed dual solenoid setup to generate a homogeneous (laterally and in depth) volumetric dose distribution using only a single dose pulse from the broad laser-driven proton spectrum. The experiments using the ALBUS-2S beamline were conducted at the titanium:sapphire high-power laser Draco PW at the Helmholtz-Zentrum Dresden–Rossendorf. The beamline and its model were characterised and verified via independent methods, leading to first experimental studies providing volumetrically homogeneous dose distributions to detector targets as well as tumour and normal tissue in proof-of-concept studies. To perform the mouse pilot study, a new solenoid with cooling capacities was designed, characterised and implemented in the course of this thesis. The combination of the new solenoid and an overall performance improvement of the laser-proton accelerator, enabled the successful conduction of the mouse model study. The results show that laser-accelerated protons induce a comparable tumour growth delay as protons from conventional accelerators. This outcome and the demonstration of the flawless interaction between laser-proton accelerator, beam transport, dosimetry and biology qualify the laser-based accelerator technology for complex studies in translational cancer research. Looking into the future, their unique extremely high intensity renders them of particular interest for the investigation into the ultra-high dose rate regime. There, the so-called FLASH effect shows fewer side effects in normal tissue while maintaining the same effect in the tumour when the target dose is administered in milliseconds rather than minutes, as currently common. The ALBUS-2S setup at Draco PW already provides all necessary conditions to realise irradiation times of around ten nanoseconds in preclinical studies. This significantly expands the parameter space for investigating the FLASH effect and is presented as a proof-of-concept in this thesis. / Protonenquellen, die von Hochleistungslasern getrieben werden, sind eine vielversprechende Ergänzung zu herkömmlichen Protonenbeschleunigern. Im Hinblick auf die Partikeltherapie von Krebserkrankungen, bei der Tumoren mit Protonen oder Ionen bestrahlt werden, kann die neuartige Beschleunigertechnologie vor allem der translationalen Forschung von Nutzen sein, in der die Ergebnisse der Grundlagenforschung in neue Ansätze zur Vorsorge, Diagnose und Behandlung von Krebserkrankungen übertragen werden. Übergeordnetes Ziel der vorliegenden Arbeit war eine translationale Pilotstudie zur Bestrahlung von Tumoren an Mäuseohren mit laserbeschleunigten Protonen bei gleichzeitiger Erfüllung des Qualitätsniveaus konventioneller Protonenbeschleuniger. Mit den Ergebnissen ist ein Vergleich der strahlenbiologischen Daten der neuen und der etablierten Beschleunigertechnologie möglich. Um dieses Experiment zu realisieren, muss eine vorher festgelegte Strahlendosis, die den Anforderungen des radiobiologischen Modells entspricht, an ein Probenvolumen abgegeben werden. Die lasergetriebenen Protonenpulse müssen dafür nach ihrer Beschleunigung transportiert und geformt werden. Intensive lasergetriebene Protonenpulse sind von Natur aus breitbandig und stark divergent. Sie stellen eine Herausforderung für etablierte Beamline-Konzepte auf dem Weg zu einer anwendungsangepassten Bestrahlungsfeldbildung dar, insbesondere bei einer räumlichen Anwendung. Diese Arbeit zeigt die erfolgreiche Implementierung eines hocheffizienten und abstimmbaren gepulsten Zwei-Solenoid-Aufbaus zur Erzeugung einer homogenen (lateral und in der Tiefe) volumetrischen Dosisverteilung mit einem einzigen Dosispuls aus dem breiten lasergetriebenen Protonenspektrum. Die Experimente an der ALBUS-2S3 Beamline wurden am Titan:Saphir-Hochleistungslaser Draco4 PW am Helmholtz-Zentrum Dresden– Rossendorf durchgeführt. Die Beamline und ihr Modell wurden experimentell charakterisiert und mit unabhängigen Methoden verifiziert. Es konnten erste experimentelle Studien durchgeführt werden, bei denen volumetrisch homogene Dosisverteilungen auf Detektorziele sowie Tumor- und Normalgewebe in Proof-of-Concept Studien appliziert wurden. Für die Durchführung der Maus-Pilotstudie wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neuer kühlbarer Solenoid entworfen, charakterisiert und implementiert. Zusammen mit einer allgemeinen Leistungsverbesserung des Laser-Protonen Beschleunigers wurde die Pilotstudie erfolgreich abgeschlossen. Sie zeigt, dass laserbeschleunigte Protonen eine vergleichbare Verzögerung des Tumorwachstums bewirken wie Protonen aus konventionellen Beschleunigern. Dieses Ergebnis und der Nachweis des einwandfreien Zusammenspiels von Laser- Protonen-Beschleuniger, Strahltransport, Dosimetrie und Biologie qualifizieren die laserbasierte Beschleunigertechnologie für komplexe Studien in der translationalen Krebsforschung. Mit Blick auf die Zukunft sind sie aufgrund ihrer einzigartigen, extrem hohen Intensität besonders interessant für die Untersuchung im Bereich ultrahoher Dosisleistungen. Dort zeigt der so genannte FLASH-Effekt weniger Nebenwirkungen im gesunden Normalgewebe bei gleicher Wirkung im Tumor. Die Zieldosis wird dabei innerhalb von Millisekunden verabreicht und nicht, wie derzeit üblich, innerhalb von Minuten. Der ALBUS-2S-Aufbau bei Draco PW bietet bereits alle notwendigen Voraussetzungen, um in präklinischen Studien Bestrahlungszeiten von etwa zehn Nanosekunden zu realisieren. Dies erweitert den Parameterraum für die Untersuchung des FLASH-Effekts erheblich und wird in dieser Arbeit auch als Proof-of-Concept vorgestellt.