Modulares Lasersystem für intensive Attosekundenpulse

Seit langem träumen Forscher davon bei chemischen Reaktionen zu beobachten, wie Atome sich zu Molekülen verbinden. Dazu ist eine Zeitauflösung nötig, die Elektronenprozesse in Echtzeit darstellt. Mit großen Beschleunigeranlagen, wie dem Freie-Elektronen-Laser XFEL, der in Hamburg entsteht, soll dieser Traum war werden.

Es ist aber auch möglich, solche Prozesse nicht an einem kilometergroßen Teilchenbeschleuniger zu vermessen, sondern im Labor. Dazu sind Attosekunden-Laserpulse nötig. Sie sind kurz genug, um in die Zeitskalen elektronischer Prozesse vorzudringen. Allerdings ist es bislang schwierig Attopulse zu erzeugen, die intensiv genug sind, um qualitativ hochwertige Signale zu erhalten.

Forscher vom Massachusetts Institute of Technology um Franz Kärtner haben nun ein Lasersystem vorgestellt, dass es ermöglichen soll, intensive Attosekundenpulse zu erzeugen. Dazu überlagerten sie in einem Multiplexing-Verfahren zwei Femtosekundenpulse zu einem neuen Puls. Dessen Form konnten sie über die Phasenlage der beiden Ausgangspulse genau kontrollieren. Ihnen gelang es so, Pulse zu erzeugen, die weniger als eine Lichtwellenlänge dauerten.

Als Quelle für ihr Lasersystem benutzten sie einen sehr breitbandigen Titan-Saphir-Pulslaser. Seine Pulse hatten eine zentrale Wellenlänge von 870 Nanometern und überspannten in der Frequenz eine Oktave. Ein Puls wurde zunächst in drei Anteile aufgespalten und mit optischen Elementen auf die nötigen Wellenlängen getrimmt. Ein Teil der Strahlung diente als Grundlage für einen Puls mit 870 Nanometer zentraler Wellenlänge, ein zweiter für einen längerwelligen Puls bei 2,15 Mikrometern. Ein dritter Anteil um 1047 Nanometer wurde zunächst in einem „chirped pulse“-Verstärker kräftig in seiner Intensität angehoben.

Das Herzstück des Lasersystems bildeten zwei optisch parametrische „chirped pulse“-Verstärker. In sie koppelten die Forscher jeweils einen der Ausgangspulse für die gewünschte Wellenläge und einen Teil des bereits verstärkten Pulses ein. Sie erhielten so zwei Pulse, die eine Leistung von 25 Mikrojoule besaßen und bei Wellenlängen von 870 Nanometern bzw. 2,15 Mikrometern zentriert waren. Die Pulslänge betrug 24, respektive 9 Femtosekunden.

Diese beiden Pulse überlagerten die Wissenschaftler in einem Strahlteiler zu einem neuen Puls. Im Gegensatz zu früheren Ansätzen, in denen Pulse aus verschiedenen Laserquellen überlagert wurden, kam ihnen zu Gute, dass hier die Pulse ehemals aus nur einem Puls erzeugt worden waren. Dadurch war die Kohärenz der Pulse sichergestellt. Zudem konnten die Forscher auf die Phasenlage der einzelnen Ausgangspulse und deren zeitlichen Abstand voneinander zugreifen und sie kontrollieren, was die Stabilität des überlagerten Pulses verbesserte. „Dies führte zu einem neuen, extrem breitbandigen Puls, dessen Spektrum wesentlich mehr als eine Oktave umfasste. Damit wollen wir dann isolierte Attosekunden-Pulse erzeugen“, sagt Kärtner.

In einer numerischen Simulationen zeigten die Forscher, dass sich ihr System eignet, um in einem Heliumgas Höhere Harmonische anzuregen. Durch den modularen Aufbau ihres Systems aus zwei Verstärkern, die sich relativ einfach in der Leistung nach oben skalieren lassen, sehen sie die Chance, so intensive Atto-Pulse zu erzeugen. In Konkurrenz zu Teilchenbeschleunigern wie dem XFEL in Hamburg geht die Technik allerdings nicht. „Unsere Attosekundenpulse werden nur im extremen UV-Bereich sehr intensiv sein“, sagt Kärtner. „Vielleicht kann man bis in den weichen Röntgenbereich nützliche Pulseenergien erreichen. Im Gegensatz dazu wird der XFEL in Hamburg Strahlung im Röntgenbereich erzeugen, bei Pulsenergien und Repetitionsraten, welche mit Lasern noch lange nicht möglich sind“.

Philipp Hummel

OD