Plasma emittiert Attosekundenpulse

  • 19. April 2012

Französische Physiker berichten von der ersten kontrollierten Erzeugung ultrakurzer Lichtimpulse mit Hilfe eines Plasmas.

Die Ionisation eines Atoms oder der Übergang eines Elektrons von einem angeregten Zustand in einen anderen sind Beispiele für Ereignisse, deren Dauer nur rund eine Attosekunde beträgt. Um sie in Echtzeit beobachten zu können, sind Lichtpulse von vergleichbarer Dauer nötig, um das Phänomen abzubilden. Bislang ließen sich solche kurzen Impulse nur durch die Anregung von Elektronen in einem Gas durch einen Laserstrahl erzeugen. Die Elektronen senden daraufhin eine Strahlung im extrem Ultraviolett (XUV) aus. Jedoch stößt dieses Verfahren an seine Grenzen: Zur Beobachtung bestimmter Ereignisse, wie elektronischer Prozesse innerhalb eines Materials, benötigen die Forscher noch kürzere und energiereichere Quellen.

Nahinfrarotpulse (rot) treffen auf eine rotierende Glasoberfläche mit einer Wiederholrate von 1 kHz

Abb.: Nahinfrarotpulse (rot) treffen auf eine rotierende Glasoberfläche mit einer Wiederholrate von 1 kHz und erreichen dort Spitzenintensitäten von 1018 W cm-2. Die XUV-Attosekundenpulse (blau), die es erzeugt, lassen sich mit einem Beugungsgitter aufspalten und genauer analysieren (ganz rechts; Bild: Borot et al. / Nat. Phys.)

In Zusammenarbeit mit dem CEA-Iramis und dem LULI ist es Forschern des Labors für angewandte Optik (LOA) zum ersten Mal gelungen, durch die gezielte Beschleunigung und Steuerung von Elektronen in einem Plasma reproduzierbare Attosekundenpulse zu erzeugen. Die Elektronen regen das Plasma an, das wiederum ultrakurze elektromagnetische Impulse im XUV aussendet.

Um dieses Ziel zu erreichen, haben die Forscher zunächst eine leistungsstarke Laserquelle mit einer 1000- bis 10.000fach höheren Strahlungsstärke als in einem gasförmigen Medium entwickelt. Diese Laserquelle sendet außerdem zirka tausend gleichmäßige Impulse pro Sekunde mit einer Dauer von jeweils einigen Femtosekunden aus. Die Forscher haben die gesamte Strahlungsstärke auf einen Punkt von einem Mikrometer Durchmesser auf einer Silizium-Oberfläche konzentriert. Damit wandelt sich das Zielmaterial in ein Plasma um, dessen Dichte mit der eines Festkörpers vergleichbar ist. In diesem Plasma beschleunigen die Elektronen im elektromagnetischen Feld, das der Laserstrahl erzeugt. So entsteht XUV-Strahlung mit Pulsen im Attosekundenbereich, die die Forscher beobachten und mit Hilfe eines Spektrometers analysieren können.

Das Spektrum der XUV-Strahlung als Funktion des Laserfelds

Abb.: Das Spektrum der XUV-Strahlung als Funktion des Laserfelds. (Bild: Borot et al. / Nat. Phys. / CNRS)

In einem nächsten Schritt wollen die Forscher ihre Laserquelle verbessern, um noch kürzere Pulse mit einer kürzeren Wellenlänge im Röntgenbereich zu erzeugen.

CNRS / Wissenschaft Frankreich / OD

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