Erstmals Femtosekundenpulse mit kleinem Röntgenlaser
Table-Top-Laser liefert kurze kohärente Laserpulse für die Analyse von extrem schnellen molekularen Prozessen.
Im kommenden Jahr soll in Hamburg der Europäische Röntgenlaser XFEL seinen Betrieb aufnehmen. Im Wellenlängenbereich zwischen 0,05 und 4,7 Nanometer erwarten die Entwickler der über drei Kilometer langen Anlage extrem kurze Pulse, die weniger als 100 Femtosekunden dauern sollen. Damit wird sich ein neues Fenster für die Erforschung schneller atomarer und molekularer Prozesse eröffnen. Nicht ganz so leistungsstark, dafür aber sehr viel kleiner und günstiger können schon heute wenige Meter große Röntgenlaser für ähnliche Experimente genutzt werden.
Abb.: Kleiner Röntgenlaser emittiert danke eines kontrollierten Krypton-Plasmas erstmals extrem kurze Lichtpulse von nur 450 fs Länge (künstlerische Illiustration; Bild: ENSTA ParisTech)
„Unser Ansatz soll Versuche ermöglichen, die bisher nur großen Anlagen wie dem XFEL vorbehalten waren“, sagt Adrien Depresseux vom Laboratoire d'Optique Appliquée an der Université Paris-Saclay. Mit seinen Kollegen gelang es ihm, Laserpulse im weichen Röntgenbereich bei 32,8 Nanometer Wellenlänge mit einer extrem kurzen Pulsdauer von nur 450 Femtosekunden zu erzeugen. Bisher konnten kleine Röntgenlaser nur deutlich längere Pulse von wenigen Pikosekunden Dauer emittieren.
Die Grundlage der Laseremission im weichen Röntgenbereich bildete ein Plasma aus Krypton-Ionen. Über eine Serie von Pulsen eines Ti-Saphir-Lasers, der bei einer Wellenlänge von 813 Nanometern mit dreißig Femtosekunden Pulsdauer eine starke Leistung von fünf Joule bringt, ionisierten die Forscher zuerst Krypton-Atome in einem Gasstrahl. Angeregt mit weiteren Laserpulsen und unterstützt durch Kollisionen zwischen den Ionen ließ sich eine Elektronenverteilung mit einer ausgeprägten Besetzungsinversion erzeugen.
Eine wichtige Rolle für die ungewöhnliche kurze Pulsdauer spielte die Struktur des Krypton-Plasmas. Mit einer Sequenz von kurzen (130 mJ, 30 fs) und langen (690 mJ, 600 ps) Pulsen erzeugten Depresseux und Kollegen einen Wellenleiter-Strahl, der die Elektronendichte in dem Plasmakanal maßgeblich beeinflusste. Damit konnte eine spontane Emission bei 32,8 Nanometer Wellenlänge mit Pulsdauern von 450 Femtosekunden erreicht werden. Verantwortlich war dabei der Krypton-Übergang 3d9 4dJ=0 → 3d9 4pJ=1.
Dieser Röntgenlaser im Laborgröße belegt, dass auch ohne Kilometer lange Teilchenbeschleuniger Röntgenpulse mit unter einer Pikosekunde Länge erzeugt werden können. Sie können die Pulsqualität großer Röntgenlaser zwar bei Weitem nicht erreichen, doch genügen sie für Analyse einiger molekulardynamischer Prozesse. Anlagen wie den XFEL werden solche Table-Top-Systeme allerdings nicht ersetzen können. Doch da für Messungen am XFEL voraussichtlich ab 2017 mit langen Wartezeiten und einem strengen Bewerbungsverfahren zu rechnen ist, könnten Table-Top-Röntgenlaser für zeitsparende Vorversuche sinnvoll eingesetzt werden.
Jan Oliver Löfken
