Eine völlig neue Methode für die Herstellung von extrem kurzen und energiereichen Laserpulsen
Laserpulse mit extrem hoher Energie spielen in der heutigen Forschung eine wichtige Rolle – Anwendungen reichen von der Atomphysik bis zur Untersuchung der Atmosphäre. Allerdings braucht man für viele Anwendungen Laserstrahlen mit einer höheren Wellenlänge als man sie mit herkömmlichen Festkörperlasern erzeugen kann. Schon lange forscht man daher an speziellen Tricks, mit denen sich die Wellenlänge eines Laserstrahls erhöhen lässt.
Einen ganz neuen Ansatz verfolgte nun ein Team der TU Wien, mit Unterstützung aus Kanada und Russland. Der Laserstrahl wird durch ein dünnes Rohr geschickt, das mit Stickstoff gefüllt ist. Wenn ein Photon des Laserstrahls in Kontakt mit einem Stickstoff-Molekül kommt, kann es dabei ein kleines bisschen Energie verlieren, dadurch wird die Wellenlänge größer. So kann durch viele kleine Lichtstreuungen die Wellenlänge des Lasers angepasst werden ohne einen großen Teil der Lichtintensität zu verlieren. Aus diesem Licht lassen sich dann kurze, extrem kräftige Laserpulse erzeugen.
Verschiedene Wellenlängen, zum Puls überlagert
Ein gewöhnlicher Laserpointer, der durchgehend leuchtet, hat nur eine ganz bestimmte Wellenlänge. Bei kurzen Laserpulsen ist das allerdings anders. „Einen kurzen Puls kann man nur erzeugen, wenn man unterschiedliche Wellenlängen auf die richtige Weise überlagert“, erklärt Paolo Carpeggiani vom Institut für Photonik der TU Wien. „Daher sucht man nach Methoden, das Laserlicht so zu verändern, dass es aus vielen unterschiedlichen Wellenlängen besteht. Besonders günstig ist der Mikrometer-Bereich – also Wellen, die deutlich länger sind als man sie etwa mit gewöhnlichen Saphir-Lasern erzeugen kann.“
Spezielle Tricks, mit denen man die Wellenlängen eines Laserstrahls in diesem Bereich einstellen kann, wurden bereits getestet – die sogenannten „Optical Parametric Amplifiers“. „Sie sind sehr flexibel in Bezug auf das Wellenlängenspektrum, das sie erzeugen können, aber sie haben auch Nachteile“, sagt Paolo Carpeggiani. „Sie sind extrem kompliziert, kosten viel Geld und ein großer Teil der Laserenergie geht dabei verloren.“
Moleküle als Energie-Absorber
Das Team der TU Wien setzte daher auf einen in der Atomphysik wohlbekannten Effekt – die sogenannte Raman-Streuung. Ein Photon wird an einem Molekül gestreut, und ein kleiner Teil seiner Energie wird dabei an das Molekül abgegeben. Wenn das Photon das Molekül verlässt, hat es daher eine geringfügig größere Wellenlänge als zuvor.
Man verwendete daher eine hohle Glasfaser mit einem Durchmesser von einem Millimeter und einer Länge von mehr als fünf Metern. Die Faser wurde mit Stickstoff gefüllt und der Laserstrahl wird durchgeschickt. „Indem wir den Druck des Stickstoffgases im Inneren der Faser verändern, können wir bestimmen, wie häufig es im Inneren zu Streuprozessen kommt. So können wir kontrollieren, wie stark sich die Wellenlänge des Laserlichts erhöhen soll“, erklärt Paolo Carpeggiani.
Weil nicht alle Photonen auf ihrem Weg durch die Glasfaser exakt gleich viel Energie verlieren, hat man danach einen Laserstrahl, der sich aus vielen unterschiedlichen Wellenlängen zusammensetzt – und der eignet sich ausgezeichnet, um daraus ultrakurze und extrem energiereiche Pulse zu erzeugen.
„Damit diese Methode funktioniert, mussten wir ganz spezielle Ytterbium-Laser verwenden. Außerdem war es eine große technische Herausforderung, eine derart lange, perfekt gerade Faser herzustellen“, sagt Paolo Carpeggiani.
Vielversprechendes neues Werkzeug
„Die Grundidee ist einfach, aber dass diese Methode tatsächlich funktioniert, war zunächst alles andere als offensichtlich“, meint Paolo Carpeggiani. „Unsere experimentellen Ergebnisse waren viel besser als man zunächst mit einfachen theoretischen Modellen erklären konnte. Erst als in Moskau dann ein detailliertes dreidimensionales Simulationsmodell entwickelt wurde, war klar, warum die Methode so erfolgreich ist.“
Mit der neuen Glasfasermethode steht jetzt ein völlig neues Werkzeug zur Erzeugung von Laserpulsen zur Verfügung – in einem Wellenlängenbereich, der zuvor schwer zugänglich war, und mit einer extrem hohen Energie. „Es gibt unzählige Laseranwendungen, die einstellbare Wellenlängen bei hohen Laserintensitäten erfordern. Daher kann unsere Methode für viele verschiedene Forschungsbereiche von großem Nutzen sein“, sagt Paolo Carpeggiani. Die Laserpulse können auch verwendet werden, um Röntgenstrahlen für hochentwickelte Messungen in der Atomphysik zu erzeugen, oder sie können sogar als chemische Sensoren eingesetzt werden, die Spuren von Gasen in der Luft messen.
Weitere Informationen: www.tuwien.at/tu-wien/
