PhD Position (f/m/d) – Modeling and Experimental Evaluation of Focal Zooming in High-Energy Las[...]

Das GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt betreibt eine der weltweit führenden Teilchenbeschleunigeranlagen für die Grundlagenforschung. Gemeinsam mit internationalen Partnern baut GSI derzeit FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), eines der größten Forschungsprojekte weltweit. GSI und FAIR bieten die Möglichkeit, in einem internationalen Umfeld innerhalb eines engagierten Teams zu arbeiten, das sich der wissenschaftlichen Exzellenz verschrieben hat.

Im Rahmen des Forschungsprojekts LAser Simulation for Enhanced FUSion Efficiency (LASE-FUSE) suchen wir zum frühestmöglichen Zeitpunkt eine PhD-Position – Modellierung und experimentelle Bewertung von inkohärenten Pulsen in Hochenergie-Lasersystemen.

Projektkontext (LASE-FUSE)

Kernfusion wird seit langem als nachhaltige und nahezu unerschöpfliche Energiequelle angestrebt. Trotz bedeutender Durchbrüche, wie dem Nettoenergiegewinn, der am National Ignition Facility (NIF) durch Inertial Confinement Fusion (ICF) erzielt wurde, bleibt der Weg zu einem wirtschaftlich tragfähigen Fusionskraftwerk äußerst herausfordernd. Eine wesentliche Einschränkung der aktuellen Ansätze, insbesondere derjenigen, die auf der indirekten Laseranregung von Fusionsbrennstoffkapseln basieren, ist die ineffiziente Umwandlung von Laserenergie in fusionsrelevante Bedingungen. Direkte Antriebskonzepte versprechen, diese Einschränkung zu überwinden, indem sie den Zwischenschritt der Röntgenumwandlung eliminieren, stellen jedoch außergewöhnlich hohe Anforderungen an bestehende und zukünftige Lasertechnologien. Breitbandige, spektral inkohärente Pulse bieten erhebliches Potenzial zur Unterdrückung von Laser-Plasma-Instabilitäten und damit zur Verbesserung der Energiekopplung zwischen dem Laser und dem Fusionsziel.

Im Kontext von Hochenergie-Lasersystemen wurden solche Pulse bisher unzureichend erforscht, insbesondere in Kombination mit den räumlichen Glättungstechniken, die für Fusionsanwendungen erforderlich sind. Angesichts der Komplexität der Lasersysteme, in denen solche Pulse erzeugt, verstärkt und transportiert werden, ist die Entwicklung realistischer Simulationswerkzeuge unerlässlich, um geeignete Laserparameter zu identifizieren und einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Vor diesem Hintergrund zielt LASE-FUSE darauf ab, eine umfassende Simulationsplattform im Sinne eines digitalen Zwillings eines Hochenergie-Lasersystems zu entwickeln. Ein zentrales Element ist die Emulation relevanter Teilsysteme, um die Erzeugung, Verstärkung und den Transport solcher Pulse besser zu verstehen und Konzepte für deren Implementierung in konkrete optische Systeme zu entwickeln.

Verantwortlichkeiten

• Entwicklung und Erweiterung von Simulationscodes zur Modellierung von räumlich, spektral und zeitlich inkohärenten Laserpulsen und -strahlen innerhalb von LASE-FUSE.
• Implementierung physikalischer Modelle zur Erzeugung, Verstärkung und Ausbreitung von inkohärenten Pulsen (z.B. ASE-basierte Quellen, resonatorbasierte Ansätze, parametrische Prozesse).
• Untersuchung und numerische Analyse der Verstärkungs-, Transport- und Stabilitätseigenschaften von inkohärenten Pulsen in Hochenergie-Lasersystemen.
• Entwurf und Bewertung von Laserarchitekturen zur kontrollierten Erzeugung von inkohärenten Strahl- und Pulsstrukturen für Fusionsanwendungen.
• Integration der entwickelten Modelle in den bestehenden Simulationsrahmen (OPOSSUM).
• Entwurf, Konstruktion und Inbetriebnahme optischer Experimentieranordnungen zur Erzeugung und Charakterisierung spektraler und räumlicher Inkohärenz (z.B. ASE-Quellen, phasenmodulierte Pulse oder ISI-basierte Glättungsanordnungen).
• Durchführung und Auswertung von Experimenten zur Validierung und Benchmarking der entwickelten Simulationsmodelle.
• Enge Zusammenarbeit mit internen Projektpartnern (Postdocs, Doktoranden) und externen Partnern aus Wissenschaft und Industrie.
• Dokumentation der entwickelten Modelle und Softwarekomponenten sowie Veröffentlichung der Ergebnisse in wissenschaftlichen Zeitschriften und auf internationalen Konferenzen.

Profil

• Abgeschlossenes Hochschulstudium (Master oder gleichwertig) in Physik, idealerweise mit Schwerpunkt auf Optik, Photonik oder einem verwandten Bereich.
• Solide Kenntnisse in Laserphysik, nichtlinearer Optik oder Wellenoptik.
• Grundkenntnisse in Programmierung (z.B. Python, Rust, C/C++ oder ähnliches) und Interesse an der Entwicklung wissenschaftlicher Software.
• Erfahrung mit numerischen Methoden oder Simulation physikalischer Systeme ist von Vorteil.
• Praktische Erfahrung in optischen Laboren, insbesondere beim Aufbau und der Charakterisierung optischer Systeme und Verstärker.
• Motivation, sowohl an theoretischen/numerischen als auch an experimentellen Themen zu arbeiten.
• Selbstständige und strukturierte Arbeitsweise sowie die Fähigkeit, im interdisziplinären Team zu arbeiten.
• Gute Englischkenntnisse; Deutschkenntnisse oder die Bereitschaft, diese zu erwerben, sind von Vorteil.

Wir bieten

• Beschäftigung bei GSI im Rahmen des LASE-FUSE-Projekts in enger Zusammenarbeit mit nationalen und internationalen Partnern bei FAIR.
• Eine zentrale Rolle in der Entwicklung eines neuartigen, ganzheitlichen Simulationsrahmens für Hochenergie-Lasersysteme.
• Arbeit in einem hochaktuellen Forschungsbereich in der lasergetriebenen Fusion.
• Zusammenarbeit mit führenden Forschungseinrichtungen und Industriepartnern im Bereich der Fusionsenergie.
• Freiheit, eigene wissenschaftliche Ideen zu entwickeln, mit Möglichkeiten zur Veröffentlichung und Teilnahme an internationalen Konferenzen.
• Flexible Arbeitsbedingungen, einschließlich bis zu zwei Tagen Remote-Arbeit pro Woche (je nach aktuellen Aufgaben) und eine gute Work-Life-Balance.
• Zugang zu einer einzigartigen experimentellen Umgebung und modernen Forschungsinfrastrukturen bei GSI/FAIR.

Dauer der Position: 3 Jahre.

Chancengleichheit: GSI unterstützt die berufliche Entwicklung von Frauen. Frauen werden besonders ermutigt, sich auf diese Position zu bewerben. Schwerbehinderte Personen werden bei gleicher Qualifikation bevorzugt berücksichtigt.