Umgedrehte Dispersion
Kombination gegensätzlicher Effekte in gasgefüllter Faser macht Laserpulse kürzer und intensiver.
Wenn ein Lichtstrahl durch ein Medium wie Glas läuft, kann es zu Dispersion kommen. Der Puls wird immer länger. Doch es gibt Möglichkeiten, diesen Effekt umzukehren: Man kann ein optisches Medium auch nutzen, um den Puls kürzer zu machen. Ein Forschungsteam der TU Wien hat nun einen Weg gefunden, aus einem sehr intensiven Laserpuls mit einer Dauer von 80 Femtosekunden einen Puls von bloß 4,5 Femtosekunden zu machen – einfach indem man ihn durch eine speziell konstruierte hohle Faser schickt. Diese Technologie ist kompakter, einfacher und billiger als die Verfahren, die man dafür bisher verwendet hat.
Abb.: Licht wird durch die dünne Faser geleitet (Bild: TU Wien)
Der Infrarot-Laserpuls wird durch eine hohle Faser geschickt, die mit Gas gefüllt ist. „Die nichtlineare Wechselwirkung zwischen dem Licht und den Gasatomen bewirkt, dass unterschiedliche Wellenlängen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit unterwegs sind“, sagt Tadas Balciunas von der TU Wien. Die Komponenten mit größerer Wellenlänge sind schneller als die kurzen Wellenlängen. Innerhalb der Glasfaser allerdings befindet sich eine komplexe Nanostruktur, die kurze Wellenlängen schneller vorankommen lässt als längere.
„Die Kombination dieser beiden einander widersprechenden Effekte führt dazu, dass der Laserpuls komprimiert wird“, sagt Tadas Balciunas. Es ist als würde man eine lange Reihe von Marathonläufern starten lassen, und am Ende kommen sie alle gleichzeitig am Ziel an. Der resultierende Lichtpuls ist nicht nur kurz, sondern auch extrem intensiv: Er erreicht eine Leistung von einem Gigawatt.
Die Nanostruktur in der Faser heißt „Kagome“ – ein japanisches Wort für ein Korbgeflecht. Diese spezielle Struktur, die eine ungestörte Transmission der extrem kurzen Pulse erlaubt, wurde von der Forschungsgruppe von Frederic Gerome im französischen Limoges entwickelt und hergestellt.
Seit Jahren werden extrem kurze Laserpulse verwendet, um den Geheimnissen der Quantenwelt auf die Spur zu kommen. Sie können Elektronen aus ihren Atomen herausreißen, Elektronen beschleunigen oder die Dynamik chemischer Reaktionen abbilden. Bis heute benötigte man aber sehr komplizierte Versuchsaufbauten, um solche Femtosekunden-Laser zu erzeugen. „Normalerweise müssen die unterschiedlichen Wellenlängen des Pulses mit einem aufwändigen Spiegelsystem manipuliert werden, um den Puls zu komprimieren“, sagt Tadas Balciunas. „Unser einfaches Tischgerät soll es nun Forschungslabors auf der ganzen Welt viel einfacher und billiger machen, Femtosekunden-Infrarotpulse herzustellen.“
In der neuen Publikation konnte das Team bereits zeigen, dass der Laserpuls für höchst komplexe Experimente bestens geeignet ist: Er wurde auf ein Xenon-Gas-Target abgefeuert, sodass die Xenon-Atome ionisiert wurden. Abhängig von der genauen Form des Pulses können die Elektronen, die den Xenon-Atomen entrissen werden, in unterschiedliche Richtungen geschickt werden. „Es ist ein ultraschneller Elektronen-Schalter“, erklärt Tadas Balciunas.
Das Photonik-Team der TU Wien plant, diese Technologie für viele weitere Experimente zu nutzen und geht davon aus, dass auch viele andere Forschungsgruppen die neue Idee aufgreifen werden. „Ein Femtosekunden-Lasersystem, das billig, klein und einfach zu benutzen ist, könnte der ultraschnellen Laserforschung einen Auftrieb geben“, sagt Tadas Balciunas.
TU Wien / DE
