QUEST – Neue Methode zur Erzeugung von ultrakurzen Laserimpulsen

Für die Messung und Darstellung von ultraschnellen Prozessen, die sich in winzigen Zeitbereichen abspielen, zum Beispiel die Bewegung von Elektronen in Atomen oder Molekülen, werden Lichtimpulse verwendet, die eine kürzere Zeitdauer haben als der zu untersuchende Prozess selbst.

Dies ist nur mit einem Laser möglich, und die kürzesten heute realisierbaren Laserimpulse liegen im Attosekundenbereich (eine Attosekunde entspricht dem Trillionstel einer Sekunde 1as = 10-18s). Die Erzeugung solch kurzer Impulse war bisher nur in speziellen Laboren mit einem komplizierten und sehr aufwendigen Verfahren möglich. Einer Forschergruppe des Instituts für Quantenoptik an der Leibniz Universität Hannover ist es nun erstmals gelungen, dafür eine einfache und zuverlässige Methode zu entwickeln.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Exzellenzclusters QUEST (Centre for Quantum Engineering and Space-Time Research) haben in Zusammenarbeit mit Forschergruppen aus den USA und Frankreich gezeigt, dass es eine Alternative zu der bisher sehr aufwendigen Erzeugung der kurzen Laserpulse gibt. Bei der bisherigen Methode zur Erzeugung von Pulsen im Attosekundenbereich wird ein Laserimpuls über mehrere Schritte kompensiert, umgewandelt und so gefiltert, dass am Ende die benötigten Laserpulse im extrem-ultravioletten Spektralbereich (XUV) entstehen. Die Physiker aus Hannover bedienen sich einer anderen Vorgehensweise. „Unsere im Vergleich einfache Erzeugung isolierter Attosekundenpulse würde den Einsatz auch in nichtspezialisierten Laboren ermöglichen“, erklärt Juniorprofessor Dr. Milutin Kovacev, Physiker am Institut für Quantenoptik und Leiter der Arbeitsgruppe.

Sie produzieren dafür ein sogenanntes Laserfilament, bei dem ein intensiver Laserpuls in einer Gaszelle einen Plasmakanal bildet, in dem er über einige zehn Zentimeter Länge fokussiert bleibt. Ein solcher Plasmakanal ermöglicht den Prozess der Selbstphasenmodulation, also die Erzeugung zusätzlicher Lichtfrequenzen. Diese Lichtfrequenzen verbreitern das Spektrum des ursprünglichen Pulses und verkürzen gleichzeitig diesen in der Pulsdauer. Theoretische Simulationen zeigen, dass es eine zeitlich und räumlich komplexe Formung des sich ausbreitendes Pulses gibt, die lokal zu Impulsspitzen führen kann. Entlang der Ausbreitungsrichtung des Filaments entstehen somit lokal extrem kurze Pulse mit einer erhöhten Spitzenleistung. Bisher war es allerdings nicht möglich, eine solche Impulsspitze, die sich lokal an einem Ort im Filament bildet, direkt zu messen und für weitere Anwendungen zu nutzen.

Die Arbeitsgruppe aus Hannover hat nun eine Technik entwickelt, mit der sich die Impulsspitzen im Filament lokalisieren lassen. Ein abrupter Übergang in ein Vakuum am Ende der Gaszelle ermöglicht ein gezieltes Abschneiden des Filaments und somit eine lokale Abtastung der Impulse im Plasmakanal. Die lokale Abtastung der Impulsspitzen des Filaments erfolgt über den Prozess der Erzeugung hoher Harmonischer Strahlung, also der Vervielfachung der Frequenz der Grundfrequenz des Impulses. Es stellt sich heraus, dass diese Frequenzvervielfachung nur an zwei definierten Orten im Filament effizient gelingt. Schneidet man das Filament exakt dort ab – wo auch schon die Theorie den kürzesten Laserpuls vorhersagte – so bekommt man ein Frequenzkontinuum und kann isolierte Laserimpulse mit einer Pulsdauer von einigen hundert Attosekunden erzeugen.

Diese Technik stellt damit eine neuartige Quelle für Attosekundenpulse dar, die den Aufwand der Erzeugung drastisch reduziert. Innerhalb des Filaments finden sowohl die Pulskompression, die Dispersionskompensation als auch die Erzeugung hoher Harmonischer Strahlung automatisch statt, ohne weiteren Aufwand und Kosten. Ein weiterer Vorteil der neuen Methode ist die unkomplizierte Anwendung. „Wenn das System einmal läuft, sind keine weiteren Anpassungen notwendig. Es kann dadurch in vielen weiteren Gebieten der Wissenschaft genutzt werden“, so Kovacev weiter.

Der Fachartikel „High-order harmonic generation directly from a filament“ ist im New Journal of Physics, Ausgabe 13 (2011), doi: 10.1088/1367-2630/13/4/043022, erschienen.

Hinweis an die Redaktion:
Für weitere Informationen steht Ihnen Jun.-Prof. Dr. Milutin Kovacev vom Institut für Quantenoptik unter Telefon +49 511 762 5286 oder per E-Mail unter kovacev@iqo.uni-hannover.de gerne zur Verfügung.