Ultrakurze Hochleistungs-Laserpulse

Ein Gerät, das ultrakurze Infrarot-Blitze mit extrem hoher Energie produ­ziert, hat ein inter­natio­nales Forscher­team ent­wickelt. „Große Wellen­längen im Infra­rot­bereich, eine kurze Dauer der Laser­pulse und hohe Energie – diese drei Anfor­derungen gleich­zeitig zu erfüllen ist sehr schwer“, sagt Valen­tina Shuma­kova von der TU Wien. „Aber diese Kombi­nation ist genau, was wir für viele inte­res­sante Stark­feld-Experi­mente brauchen.“ Jetzt gelang dem Team ein ent­schei­dender Durch­bruch: Indem die Forscher die energie­reichen Pulse im mitt­leren Infra­rot­bereich durch ein festes Material senden, können sie die Pulse zeit­lich und räum­lich kompri­mieren. Die Gesamt­energie bleibt dabei gleich, kann nun aber in deut­lich kürzerer Zeit über­tragen werden, wo­durch sich eine extrem hohe Leistung von bis zu einem halben Tera­watt ergibt. Dabei dauert der Laser­puls nur etwa dreißig Femto­sekunden.

„Unter bestimmten Bedingungen kann sich ein Laserpuls selbst kompri­mieren und kürzer werden. Das ist ein wohl­be­kanntes Phänomen in der Laser­technik“, sagt Audrius Pugzlys, ebenfalls von der TU Wien „Aber bisher dachte man, dass diese Selbst-Kompres­sion in festen Materi­alien bei derart hohen Inten­si­täten unmög­lich ist.“

Ein ultrakurzer Laserpuls ist eine Mischung aus einem Spektrum unter­schied­licher Wellen­längen – in diesem Fall im Infra­rot-Bereich um einen Mittel­wert von 3,9 Mikro­metern. Im Vakuum bewegt sich Licht immer gleich schnell fort, unab­hängig von der Wellen­länge. Bei Licht, das sich durch ein festes Material bewegt, ist das aller­dings nicht der Fall. „Das Material führt dazu, dass sich einige Kompo­nenten des Laser­pulses schneller bewegen als andere. Wenn dieser Effekt klug genutzt wird, kompri­miert sich dadurch der Puls. Er wird kürzer, einfach indem er durch das Material geschickt wird“, sagt Skir­mantas Ali­sauskas von der TU Wien.

Diese Technik lässt sich allerdings nicht immer anwenden. „Wenn die Inten­sität des Licht­pulses sehr hoch ist, dann neigt er dazu, auf chao­tische Weise zu kolla­bieren und sich in einzelne, von­ein­ander ge­trennte Fila­mente auf­zu­spalten“, sagt Pugzlys. Jeder dieser Zweige trägt nur einen kleinen Teil der Energie des ur­sprüng­lichen Strahls, der daraus resul­tierende Laser­strahl kann nicht mehr für Stark­feld-Laser­experi­mente genutzt werden.

Das Team hat nun herausgefunden, dass es bestimmte Bedin­gungen gibt, unter denen die Kompres­sion des Laser­pulses bei extrem hohen Inten­si­täten möglich ist, ohne dass der Laser­puls in einzelne Fila­mente zer­fällt. „Wie sich heraus­stellt, haben wir es mit unter­schied­lichen Längen­skalen zu tun“, sagt Shuma­kova. „Die Längen­skala der Fila­men­tation ist größer als die Längen, auf denen es zur Kompres­sion des Laser­pulses kommt. Wir können daher einen Para­meter­bereich finden, in dem der Laser­puls zwar kompri­miert wird, aber der störende Fila­men­tations-Effekt noch aus­bleibt.“ Die Leistung des Laser­pulses ist um einen Faktor 10.000 höher als der Grenz­wert, über dem Fila­men­tation ein­setzt – und trotz­dem kolla­biert er nicht.

Das Team verwendete einen Yttrium-Aluminium-Granat-Kristall mit einer Dicke von wenigen Milli­metern – und die Resul­tate sind bemerkens­wert: Indem ein Laser­puls durch den Kristall geschickt wird, kann man ihn von 94 Femto­sekunden auf 30 Femto­sekunden verkürzen. Die Energie bleibt fast gleich, die Leistung erhöht sich um einen Faktor drei, auf beinahe ein halbes Tera­watt. „Nach­dem der Puls so kurz ist, hat er insge­samt immer noch relativ wenig Energie. Aber diese außer­ordent­lich hohe Leistung öffnet uns die Tür zu ganz neuen spannenden Experi­menten und vielleicht auch zu neuen laser­techno­logischen Anwen­dungen“, sagt Pugzlys.

TUW / RK