Neue Quelle für ultrakurze IR-Pulse
Einen mehrstufiger optisch-parametrischer Verstärker koppelten die Entwickler mit einem kompakten Lasersystem.
Ultrakurze Lichtimpulse sind ein wichtiges Werkzeug der Grundlagenforschung und haben Eingang in zahlreiche optische Technologien gefunden. Dabei spielt der infrarote Spektralbereich bei Wellenlängen größer als einem Mikrometer nicht nur in optischen Kommunikationssystemen eine zentrale Rolle; auch in der optischen Mess- und Analysetechnik und in bildgebenden Verfahren wird Licht mit Wellenlängen zwischen etwa einem und 300 µm eingesetzt. Eine besondere technische Herausforderung sind extrem kurze Impulse, in denen die Lichtwellen nur wenige Male, im Grenzfall nur einmal hin- und herschwingen. Die Erzeugung derartiger „Wenigzyklen“-Impulse erfordert eine genaue Kontrolle der Phase von Lichtwellen und ihrer Ausbreitungsbedingungen.
Abb.: Experimentelle Anordnung des dreistufigen parametrischen Verstärkers. Als Verstärkungsmedium dienen drei nichtlineare ZnGeP hoch 2-Kristalle (ZGP I-III). Die optischen Strahlengänge sind in Falschfarben dargestellt. (Bild: MBI)
Forscher vom Max-Born-Institut in Berlin und der amerikanischen Firma BAE Systems in Nashua entwickelten nun eine neue Lichtquelle, die ultrakurze Infrarotimpulse mit Rekordparametern liefert. Das hochkompakte System beruht auf dem Konzept der optisch-parametrischen Verstärkung, bei der ein schwacher ultrakurzer Infrarotimpuls durch die Wechselwirkung mit einem intensiven Pumpimpuls kürzerer Wellenlänge in einem nichtlinearen Kristall verstärkt wird. In der neuen Lichtquelle treiben Pumpimpulse von etwas zehn Picosekunden Dauer mit Energien von bis zu 20 mJ bei 2 µm Wellenlänge einen dreistufigen parametrischen Verstärker.
Ein neuartiger Lichtmodulator kommt zum Einsatz, um die verstärkten Impulse bei einer Wellenlänge von 5 µm optimal komprimieren zu können. Die verstärkten Impulse besitzen eine Energie von rund einem Millijoule und eine Dauer von 75 Femtosekunden, was einer Spitzenleistung um acht Gigawatt innerhalb von etwa vier optischen Zyklen der Lichtwelle entspricht. Die hochstabilen Infrarotimpulse stehen mit einer Wiederholrate von einem Kilohertz zur Verfügung und weisen exzellente optische Strahlparameter auf. Ausgangsleistung und Repetitionsrate des Systems sind skalierbar und können für verschiedene Einsatzbereiche optimiert werden.
Diese Ergebnisse eröffnen neue Anwendungsfelder in der Ultrakurzzeitphysik, etwa bei der Untersuchung (bio)molekularer Schwingungsdynamik, niederfrequenter Anregungen in Festkörpern oder bei der Erzeugung kurzwelliger ultrakurzer Impulse. Das neue Infrarotsystem wird gegenwärtig als optischer Treiber in eine Laborquelle integriert, die harte Röntgenimpulse von etwa 100 Femtosekunden Dauer mit Wiederholraten im Kilohertzbereich erzeugen wird.
FV Berlin / JOL
