Terahertzstrahlung für Teilchenbeschleuniger

Auf dem Weg zu neuartigen, kompakten Teilchen­beschleunigern hat ein Forscher­team von Desy und der Universität Hamburg einen wichtigen Meilenstein erreicht: Mit ultra­starken Laserpulsen ist es den Wissen­schaftlern gelungen, besonders energiereiche Blitze im Terahertz-Bereich zu erzeugen, die eine scharf definierte Wellenlänge besitzen. Terahertz-Strahlung soll eine neue Generation von Teilchen­beschleunigern ermöglichen, die auf einen Labortisch passen.

„Die Wellen­länge von Terahertz-Strahlung ist rund tausendmal kürzer als die heute zur Beschleunigung verwendeten Radio­wellen“, sagt Franz Kärtner vom Hamburger Center for Free-Electron Laser Science (CFEL). „Daher lassen sich auch die Beschleuniger­komponenten rund tausendmal kleiner bauen.“ Um eine nennenswerte Zahl von Teilchen auf Trab zu bringen sind starke Terahertz-Pulse mit möglichst scharf definierter Wellen­länge nötig. Genau die hat das Team nun produziert. „Um Terahertz-Pulse zu generieren, schießen wir zwei starke Laserblitze zeitlich minimal versetzt in einen nicht­linearen Kristall“, erläutert Andreas Maier von der Universität Hamburg. Die beiden Laserblitze haben eine Art Farbverlauf, das heißt, sie haben vorne eine andere Farbe als hinten. Durch den leichten zeitlichen Versatz besteht zwischen den Pulsen eine leichte Farb­differenz. „Diese Differenz liegt genau im Terahertz-Bereich“, sagt Maier. „Der Kristall wandelt die Farb­differenz in einen Terahertz-Puls um.“

Die beiden Laserblitze müssen für diese Methode exakt zeitlich synchro­nisiert sein. Das erreichen die Forscher, indem sie einen Laserblitz in zwei Teile aufspalten, dann einen der beiden Pulse über einen kurzen Umweg schicken, so dass er leicht verzögert ist, und schließlich beide Pulse wieder überlagern. Aller­dings ist der Farbverlauf der Pulse nicht einfach konstant, die Farbe ändert sich also nicht gleichmäßig entlang des Pulsprofils. Statt­dessen ist der Farbwechsel zunächst gering und wird dann immer stärker, hat also kein gerades, sondern ein gebogenes Farbprofil. Die beiden leicht versetzt fliegenden Pulse haben dadurch keine konstante Farb­differenz. Nur in einem schmalen Abschnitt stimmt deshalb die Differenz für die Erzeugung von Terahertz-Strahlung.

„Das war eine große Hürde für die Erzeugung energiereicherer Terahertz-Pulse“, berichtet Maier. „Denn den Farbverlauf der Pulse zu begradigen, was die nahe­liegende Lösung gewesen wäre, ist technisch nicht einfach umsetzbar.“ Den entschei­denden Einfall hatte dann Maiers Kollege Nicholas Matlis: Er schlug vor, das Farbprofil nur eines der beiden Teilpulse zeitlich leicht zu strecken. Dadurch ändert sich zwar immer noch die Stärke des Farbverlaufs entlang des Pulses, die Farbdifferenz zum anderen Teilpuls verbessert sich jedoch und bleibt über einen weiten Bereich konstant.

„Die erforder­lichen Änderungen an einem der Pulse sind minimal und verblüffend einfach umzusetzen: Es war ausreichend, ein kurzes Stück Spezialglas in den Strahlen­gang einzusetzen“, berichtet Maier. „Auf einmal war das Terahertz-Signal um den Faktor 13 stärker.“ Zusätzlich haben die Wissen­schaftler einen besonders großen nicht­linearen Kristall zur Erzeugung der Terahertz-Strahlung verwendet, eine Spezial­anfertigung des japanischen Instituts für Molekular­wissenschaften in Okazaki. Je größer der Kristall, desto energie­reichere Terahertz-Pulse lassen sich erzeugen. 

„In der Kombination dieser beiden Maßnahmen haben wir eine Terahertz-Pulsenergie von 0,6 Millijoule erreicht, das ist Rekord für diese Technik und über zehnmal stärker als alle zuvor auf optischem Weg generierten Terahertz-Pulse mit scharf definierter Wellenlänge“, berichtet Kärtner. „Unsere Arbeit zeigt, dass es möglich ist, ausreichend starke Terahertz-Pulse mit scharf definierter Wellen­länge für den Betrieb kompakter Teilchen­beschleuniger zu erzeugen.“

DESY / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. W. Jolly et al.: Spectral phase control of interfering chirped pulses for high-energy narrowband terahertz generation, Nat. Commun. 10, 2591 (2019); DOI: 10.1038/s41467-019-10657-4

• Ultrafast Optics and X-Rays UFOX,  Center for Free-Electron Laser Science CFEL, DESY, Hamburg