Handlicher XUV-Laser macht Teilchenbeschleunigern Konkurrenz

Physiker der Universität Jena entwickeln leistungsstarken XUV-Laser in Laborgröße

03.11.2016 - Deutschland

Was passiert im Inneren von Atomen und Molekülen, wenn sie eine chemische Bindung eingehen? Wie sieht es aus, wenn Licht mit optischen Nanomaterialien interagiert? Wollen Forscher chemische Reaktionen in Echtzeit verfolgen oder die Bewegung von Ladungsträgern beobachten, nutzen sie heute intensive Extrem-Ultraviolette (XUV) Strahlung. Doch die stammt nicht aus einer gewöhnlichen Gasentladungslampe. „Für solche Anwendungen braucht es kohärentes, extrem kurz gepulstes XUV-Licht“, betont Prof. Dr. Jens Limpert von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Erzeugt werden solche XUV-Pulse zumeist in riesigen Teilchenbeschleunigern, etwa dem XFEL in Hamburg, dessen 3,4 Kilometer lange unterirdische Anlage gerade erst in Betrieb genommen wurde oder in Ringbeschleunigern, sogenannten Synchrotrons, mit mehreren hundert Metern Durchmesser.

Doch der Zugang für Forscher zu diesen leistungsstarken Großanlagen ist begrenzt und nicht alle wissenschaftlichen Fragestellungen lassen sich damit hinreichend untersuchen, was die Entwicklung von vergleichsweise „handlichen“ Lasersystemen motiviert. In der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins „Optica“ stellen Jenaer Physiker einen Versuchsaufbau vor, mit dem sich ultrakurze, intensive XUV-Pulse in praktisch jedem Optik-Labor produzieren lassen.

Diese Publikation zeigt, wie sich XUV-Pulse mit deutlich höherer Effizienz erzeugen lassen, als das bislang mit Systemen dieser Größenordnung möglich war. Dazu werden Laserpulse in einen doppelbrechenden Kristall fokussiert, wobei die Frequenz des ursprünglich infraroten Lichts verdoppelt wird. Das Ergebnis sind Laserpulse im grünen Wellenlängenbereich. Diese werden in einem zweiten Schritt der sogenannten kaskadierten Frequenzkonversion erneut fokussiert, woraus noch höherfrequente Pulse im XUV resultieren.

Auf diese Weise entstehen spektral schmalbandige und kohärente XUV-Pulse mit einer Leistung im Milliwatt-Bereich. Ihre Wellenlänge beträgt nur noch 57 Nanometer. „Übliche Systeme kommen lediglich auf ein Hundertstel dieser Leistung, während unsere Faserlaser basierten Systeme typischerweise ca. 100 µW Durchschnittsleistung liefern – diese neuartige Methode ist nun nochmals eine Größenordnung besser“, betont Doktorand Robert Klas, der die neuartige Quelle gemeinsam mit seinen Kollegen im Labor realisiert hat. Dank dieser Technik seien die XUV-Quellen nun auch für praktische Anwendungen einsetzbar, welche in der Helmholtz-Nachwuchsgruppe von Dr. Jan Rothhardt verfolgt werden – etwa für neue bildgebende Verfahren um dreidimensionale Strukturen mit einer Auflösung von wenigen 10 Nanometern sichtbar zu machen und so völlig neue Einblicke in die Nanowelt zu ermöglichen.