Wiener Forscher komprimieren ultrakurze Laserpulse

13. September 2016, 14:31
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Extrem hohe Leistung von bis zu einem halben Terawatt erzielt

Wien – Ein Forschungsteam am Institut für Photonik an der TU Wien hat ein Gerät entwickelt, das ultrakurze Infrarot-Blitze mit extrem hoher Energie produziert. "Große Wellenlängen im Infrarotbereich, eine kurze Dauer der Laserpulse und hohe Energie – diese drei Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen, ist sehr schwer", sagt Valentina Shumakova. Im Fachjournal "Nature Communications" berichten die Wiener Physiker nun über eine Methode, wie dies doch möglich ist.

Hintergrund

Trifft Licht hoher Energie auf Atome und Moleküle, werden diese ionisiert, weil das elektromagnetische Feld die Elektronen entfernt. "Und dann beginnt eine komplett andere Physik", sagt TU-Forscher Audrius Pugzlys. Beispielsweise kann man mit sehr kurzen Laserpulsen recht effizient noch kürzere Röntgenpulse erzeugen. Denn die Elektronen werden durch das elektromagnetische Feld des Lichtpulses beschleunigt, bis sie wieder zu ihrem Ausgangsplatz zurückfallen.

"Bei diesem Prozess gewinnt das Elektron viel Energie, die es in Form von Röntgen-Strahlung wieder abgibt", so Pugzlys. Und weil langwelliges Licht die Elektronen länger als etwa sichtbares Licht beschleunigen kann, gewinnen sie dabei viel mehr kinetische Energie. Beim Zurückfallen produzieren sie dadurch sehr harte, also sehr kurzwellige Röntgenstrahlung – womit sich etwa Mikroskopbilder mit extrem hoher Auflösung generieren lassen.

Die Methode

Die Forscher schicken energiereiche Pulse im mittleren Infrarotbereich durch einen Yttrium-Aluminium-Granat-Kristall mit einer Dicke von wenigen Millimetern. Darin wird der Lichtpuls räumlich und zeitlich von 94 Femtosekunden auf 30 Femtosekunden komprimiert (eine Femtosekunde ist der billiardste Teil einer Sekunde). Weil sich die Gesamtenergie des Lichtblitzes nicht ändert, aber in deutlich kürzerer Zeit übertragen wird, ergibt sich die extrem hohe Leistung von bis zu einem halben Terawatt (also 500 Milliarden Watt, ).

Grundsätzlich ist die Möglichkeit, dass sich ein Laserpuls selbst komprimiert, ein in der Lasertechnik bekanntes Phänomen. Bisher habe man aber gedacht, dass dies bei derart hohen Intensitäten unmöglich sei, so Pugzlys. Denn dann neigt der Lichtpuls im festen Material dazu, auf chaotische Weise zu kollabieren und sich in einzelne Filamente aufzuspalten, ähnlich einem Blitz, der sich in mehrere Zweige teilt. "Wenn man aber sehr sorgfältig die Parameter abstimmt, ist die Kompression des Laserpulses bei extrem hoher Intensität doch möglich, ohne dass er in einzelne Filamente zerfällt", sagte der Physiker. Dies öffne die Tür zu neuen spannenden Experimenten und vielleicht auch lasertechnologischen Anwendungen. (APA, red, 13. 9. 2016)

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