19.01.2023

Neuer Ansatz für effiziente Röntgenlaser

Methode gründet auf Ytterbium-Lasern kombiniert mit Gas-basierter Wellenlängen-Konversion.

Im Unterschied zur medi­zinischen Diagnostik braucht man in der Industrie möglichst kurze, energie­reiche Röntgen-Laserpulse. Man verwendet sie etwa bei der Herstellung von Nanostrukturen und elek­tronischen Bauteilen, aber auch um den Ablauf chemischer Reaktionen in Echtzeit zu überwachen. Starke, extrem kurzwellige Röntgenpulse im Wellenlängen­bereich von Nanometern sind schwierig herzustellen, doch nun entwickelte man an der TU Wien aber eine neue, einfachere Methode: Der Ausgangs­punkt ist nicht wie bisher ein Titanium-Saphir-Laser, sondern ein Ytterbium-Laser. Der entscheidende Trick steckt darin, dass man das Licht anschließend durch ein Gas schickt, um seine Eigenschaften gezielt zu verändern.

Abb.: Edgar Kaksis (l.) und Paolo Carpeggiani arbeiten an einer neuen...
Abb.: Edgar Kaksis (l.) und Paolo Carpeggiani arbeiten an einer neuen Technologie zur Herstellung von Röntgen­laserpulsen. (Bild: TU Wien)

Wenn man Laserstrahlen mit sehr kurzen Wellenlänge erzeugen möchte, muss man spezielle Tricks anwenden: Man erzeugt zunächst Laserstrahlen mit großer Wellenlänge und schießt sie auf Atome. Den Atomen wird ein Elektron entrissen, es wird im elektrischen Feld des Lasers beschleunigt, kehrt dann wieder um und stößt wieder mit dem Atom zusammen, aus dem es kam – und dabei können dann hohe Harmonische, also kurzwellige Röntgen­strahlung entstehen. „Die Situation erscheint auf den ersten Blick etwas kontra­intuititv“, sagt Paolo Carpeggiani vom Institut für Photonik. „Je größer die Wellenlänge des ursprüng­lichen Laserstrahls, umso kleinere Wellen­längen kann man am Ende dadurch erzielen.“ Allerdings sinkt dabei auch die Effizienz der Röntgen­strahlungs-Produktion: Wenn man sehr kurzwellige Strahlung erzeugen möchte, dann wird ihre Intensität sehr gering.

Bisher hat man bei dieser Technologie fast immer Titanium-Saphir-Laser verwendet und die Wellenlänge ihrer Strahlung dann mit speziellen Kristallen vergrößert, um damit dann durch hohe Harmonische möglichst kurzwellige Röntgen­strahlung zu generieren. Das Team entwickelte nun aber eine einfachere und gleichzeitig leistungs­fähigere Methode: Man setzte einen Ytterbium-Laser ein. Ein solcher Laser ist einfacher, billiger und leistungs­fähiger ist als ein Titanium-Saphir-Laser, doch bisher kam man damit bei der Produktion von Röntgenpulsen nicht an die Ergebnisse von Titanium-Saphir-Lasern heran. So wurde nun die Wellenlänge der Laser­strahlung zunächst vergrößert, indem man diese Strahlung nicht wie gewöhnlich durch einen Kristall schickte, sondern durch ein mole­kulares Gas. „Das erhöht die Effizienz ganz dramatisch“, sagt Paolo Carpeggiani. „Statt der bisher üblichen zwanzig Prozent kommen wir auf rund achtzig Prozent.“

Das dadurch entstehende Laser­licht kann man dann wie bisher für hohe Harmonische nutzen, um Röntgen-Laserpulse zu erzeugen. „Wir konnten zeigen, dass die neue Technik von Ytterbium-Lasern, kombiniert mit Gas-basierter Wellen­längen-Konversion, nicht nur in der Lage ist, Röntgen-Laserpulse zu erzeugen, sondern das auch noch bei deutlich höherer Effizienz als bisher gelingt.“ Damit ist es nun einfacher und kosten­günstiger, Röntgenlaser für indus­trielle Anwendungen oder wissen­schaftliche Untersuchungen zu verwenden.

TU Wien / JOL

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