Infrarot-Laser liefert extreme UV-Strahlung

In starken elektromagnetischen Feldern lassen sich ungerade Viel­fache einer ursprüng­lichen Laser­frequenz erreichen. Diese Art der Frequenz­ver­viel­fachung trieben nun Erik Hemsing und seine Kollegen am SLAC National Accelerator Labora­tory in den USA auf die Spitze. Über die Wechsel­wirkung von infra­roten Licht­pulsen mit beschleu­nigten Elektronen wiesen sie intensive Licht­signale bis zur 75. höheren Harmo­nischen nach. Ausgehend von infra­rotem Laser­licht erhielten sie Laser­pulse im Bereich des extrem Ultra­violetten (EUV) mit 32 Nano­metern Wellen­länge.

„Wir konnten zeigen, wie sich mit dem Einsatz von Lasern die Leistung von Freie-Elektronen-Lasern verbessern lässt“, sagt Hemsing. Dazu beschleu­nigte er mit seinen Kollegen Elektronen­pakete in einem modifi­zierten FEL. Zusätz­lich zu den Magnet­strukturen von insgesamt drei Undula­toren ergänzten sie eine Art Schikane-Strecke, um die Flug­bahn der Elek­tronen zu verändern. Dieser Aufbau ermög­lichte es ihnen, einen speziellen Echo-Effekt bei der Wechsel­wirkung von Licht­wellen mit Elek­tronen auszu­nutzen.

Durch die Vakuumröhren des FEL schickten die Forscher an zwei Stellen infra­rote Laser­pulse mit 800 und 2400 nm Wellen­länge. Diese traten mit den Elek­tronen in Wechsel­wirkung und es kam zu einer Modu­lation der Elek­tronen­energie. Die Ursache dafür lag in einem stark nicht­linearen Prozess, eben dem Echo-Effekt. Nach dieser Modu­lation wurden die Elektronen­pakete in einem Linear­beschleuniger weiter beschleunigt und durch einen dritten Undu­lator geschickt. Mit einem Photo­detektor konnten die Forscher Wellen­länge, spektrale Breite und Intensität der dabei entstandenen FEL-Pulse analy­sieren.

Verglichen mit einem herkömmlichen Freie-Elektronen-Laser zeigten sich diese bis zur 75. höheren Harmo­nischen der Infra­rot­pulse schärfer vonein­ander getrennt und rausch­freier. Dabei wiesen die Licht­blitze ausge­sprochen schmale Puls­breiten von wenigen Zehntel Nano­metern auf. Mit diesem Experiment demonstrierten Hemsing und Kollegen im Prinzip, dass sich die Qualität der Licht­emission aus einem Freie-Elektronen-Laser mit der Ein­speisung zusätz­licher Laser­pulse über die kontrollierte Erzeugung höherer Harmo­nischer verbessern lässt. Mit 32 Nano­metern Wellen­länge erreichten sie den EUV-Bereich. Doch halten sie es für möglich, mit dieser Methode des „Echo-enabled harmonic generation“ auch Licht­quellen für extrem kurze und spektral saubere Licht­blitze bis in den Energie­bereich harter Röntgen­strahlung entwickeln zu können.

Jan Oliver Löfken

RK