25.06.2020

Harte, kurze Pulse

Kompressor-Beamline mit Terawatt-Lichtpulsen öffnet Zugang zu nichtlinearer Attosekunden-XUV-Spektroskopie.

Forscher am Max-Born-Institut für nichtlineare Optik und Kurzzeit­spektroskopie (MBI) haben einen neuen Meilenstein in der Erzeugung von Lichtpulsen mit wenigen optischen Zyklen erreicht. Sie haben einen zehn Jahre alten Rekord gebrochen und in einem neuen Hochenergie-Hohlfaser-Kompressor Lichtpulse mit einer Pulslänge von nur 1,5 optischen Zyklen und einer Spitzenleistung von 1,2 Terawatt erzeugt. Die hoch­energetischen Laserpulse werden zur Erzeugung intensiver Attosekunden-Pulse im XUV-Spektral­bereich verwendet, welche wiederum Anwendung in nichtlinearen XUV-Spektroskopie­studien finden. 
 

Abb.: Impression der Kompressor-Strahl­linie. Der Einschub zeigt die gemessene...
Abb.: Impression der Kompressor-Strahl­linie. Der Einschub zeigt die gemessene Form und das Strahl­profil der 1,5-Zyklen-Lichtpulse. (Bild: MBI)

Um komplexe Ladungs­transfer­mechanismen bei der Bildung einer chemischen Bindung oder bei dem Ablauf biologisch relevanter Prozesse zu erforschen, benötigt man Werkzeuge mit einer außergewöhnlichen zeitlichen Auflösung im Atto­sekunden­bereich. Die hierfür benötigten isolierten Atto­sekunden-Licht­pulse können durch Frequenz­konversion in den extremen ultravioletten (XUV) Spektral­bereich erzeugt werden. Hierzu werden ultrakurze intensive Laserpulse, die nur wenige Schwingungen des elektrischen Feldes umfassen, auf Edelgasatome fokussiert. 

Dies treibt einen Frequenz­konversions­prozess an, die Erzeugung hoher harmonischer Strahlung. Die Konversions­effizienz dieses Prozesses ist jedoch sehr gering und liefert folglich sehr schwache Atto­sekunden­pulse, die für angedachte nichtlineare spektroskopische Anwendungen nicht ausreichen. Um intensivere isolierte Atto­sekunden­pulse zu erzeugen, benötigt man folglich hoch­energetische ultra­kurze Laser­pulse, deren Wellenlänge im nahen Infrarot­bereich liegt.

Nun haben Forscher am MBI bei der Energieskalierung der nahinfraroten Lichtpulse einen großen Schritt nach vorne gemacht. Der Gruppe gelang es, Pulse eines Titan-Saphir-Lasers, der bei einer Wellen­länge von 790 Nanometern emittiert, spektral zu verbreitern und anschließend auf eine Pulsdauer von 3,8 Femto­sekunden (1,5 optische Zyklen) bei einer Energie von 6,1 Millijoule zu komprimieren, was bei einer Kilohertz-Wieder­holrate beispiellos ist. Somit übertrifft die Spitzen­leistung der Pulse deutlich die Tera­watt­marke. Dieses Ergebnis bricht einen zehn Jahre alten Rekord, der im Forschungs­institut Riken in Japan erzielt wurde.

Um diese Ergebnisse zu erreichen, wurde eine neue 8,2 Meter lange Kompressor-Beamline um eine 3,75 Meter lange, gestreckte flexible Hohl­kernfaser (SF-HCF) herum aufgebaut: In dieser Faser findet eine spektrale Verbreiterung als Ergebnis der nicht­linearen Wechsel­wirkung zwischen den intensiven nah­infraroten Lichtpulsen und den in der Kapillare eingelassenen Helium­atomen statt. Die spektral verbreiterten Licht­pulse wurden anschließend durch negativ gechirpte Spiegel zeitlich komprimiert und durch eine Dispersions-Scan-Messung charakterisiert. Die Mess­vorrichtung wurde hierbei direkt in den Vakuum-Strahlengang verbaut, welcher auch für die anschließende Erzeugung hoher harmonischer Strahlung sowie XUV-Experimente konstruiert ist. Der neue HCF-Kompressor ist eine hoch­skalierte Version eines Gerätes, das kürzlich im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit unter Beteiligung des MBI entwickelt wurde. Diese neue Entwicklung ebnet den Weg zur nicht­linearen Attosekunden-XUV-Spektroskopie.

MBI / DE

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