Licht mit mehr Bass
„Optischer Synthesizer“ ermöglicht hundertmal stärkere ultrakurze Laserpulse als herkömmliche Methoden.
Ultrakurze Lichtpulse sind nötig, um extrem schnell ablaufenden Quantenphänomene studieren zu können. Seit Jahren arbeiten Forscher daran, die Form dieser Lichtwellen gezielt anzupassen, etwa um die Bahn von Elektronen genau zu steuern. An der TU Wien entstand nun in Zusammenarbeit mit dem Imperial College London und dem Max-Born-Institut Berlin eine ganz neue und außerordentlich mächtige Methode, die Laser-Wellenform zu beeinflussen. Ähnlich wie der charakteristische Klang von Musikinstrumenten entsteht, indem verschiedene Frequenzen gleichzeitig klingen, kombinieren die man nun verschiedene Licht-Frequenzen zu einer genau passenden Wellenform. Der Trick liegt im Hinzufügen eines langwelligen Anteils – also dem, was in der Musik der Basston wäre.
Abb.: Die Vakuumkammer mit der Gaszelle, in der mit den geformten Lichtwellen Attosekundenpulse erzeugt werden. (Bild: TU Wien)
„Lichtpulse im Attosekunden-Bereich kann man erzeugen, indem man zunächst von tausendfach längeren Laserpulsen ausgeht und sie auf ein Atom abfeuert“, erklärt Stefan Hässler, Wissenschaftler am Institut für Photonik der TU Wien. Der Laserpuls entreißt dem Atom ein Elektron und treib es zunächst vom Atom fort. Doch nach kurzer Zeit wird das Elektron vom oszillierenden elektrischen Feld des Lasers abgebremst und schließlich in die entgegengesetzte Richtung beschleunigt, sodass es schließlich zurückkehrt und wieder mit dem Atom kollidiert.
„Ob das Elektron das Atom wieder trifft und mit welcher Wucht das geschieht, hängt von der genauen Form der Laserwelle ab“, sagt Hässler. Im optimalen Fall hat das Elektron durch ein genau richtig geformtes Laserfeld so viel Energie mitbekommen, dass beim heftigen Zusammenstoß mit dem Atom dann ein hochenergetischer, noch viel kürzerer Laserpuls ausgesandt wird – ein Attosekundenpuls, mit einer Frequenz im Ultraviolett- bis Röntgenbereich.
Am besten gelingt das,wenn man bei der Herstellung des ersten, längeren Laserpulses verschiedene Wellen unterschiedlicher Wellenlänge zusammenfügt, sodass nicht bloß eine sinusförmige Oszillation entsteht, sondern eine kompliziertere, sägezahnartige, genau wie in der Akustik.
Schon bisher gab es Versuche, die Form der Laserwelle zu beeinflussen. Man verdoppelte die Frequenz des Laserpulses und kombinierte die ursprüngliche Welle mit der Welle doppelter Frequenz. Doch die Möglichkeiten, die sich daraus ergeben, sind beschränkt. An der TU Wien gingen die Wissenschaftler in die andere Richtung: Sie verwendeten nicht bloß eine zusätzliche Welle mit höherer Frequenz, sondern auch eine Welle mit niedriger Frequenz – fügten dem Laserpuls also in gewissem Sinn einen „optischen Basston“ hinzu – und das erweitert die Möglichkeiten für das Formen des Laserpulses ganz gewaltig.
Abb.: Je nachdem, mit welchen relativen Phasen die Forscher die drei Wellen zusammensetzen, ergeben sich ganz unterschiedliche Wellenformen. (Bild: TU Wien)
„Wir können nun drei verschiedene Frequenzen in Intensität und Phasenbeziehung aufeinander abstimmen“, sagt Hässler, „damit kommen wir der theoretisch berechneten ‚perfekten Welle‘ schon ziemlich nahe.“ Mit den neu geformten Laserpulsen kann den Atomen sehr effizient ein Elektron entrissen werden, das dann viel Energie erhält – so konnte eine hundertfach stärkere Strahlung an Attosekunden-Pulsen erzeugt werden, als man mit herkömmlichen Sinus-Wellen herstellen könnte.
Auch viele andere Laser-getriebene Effekte können auf diese Weise optimiert werden, ist Haessler überzeugt: Nicht nur Atome, sondern auch Moleküle, Plasmen oder Festkörper lassen sich mit maßgeschneiderten Laserpulsen beschießen, um ganz unterschiedliche Effekte damit auslösen. Die Methode ist nun im Prinzip erweiterbar: Nachdem man jetzt weiß, wie man dem Laserpuls niedrigere Frequenzen hinzufügen kann, spricht nichts dagegen, noch weitere Frequenzen dazuzunehmen.
TU Wien / OD
