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.
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
