Erstmals Femtosekundenpulse mit kleinem Röntgenlaser

  • 16. November 2015

Table-Top-Laser liefert kurze kohärente Laserpulse für die Analyse von extrem schnellen molekularen Prozessen.

Im kommenden Jahr soll in Ham­burg der Europäische Röntgen­laser XFEL seinen Betrieb aufnehmen. Im Wellen­längen­bereich zwischen 0,05 und 4,7 Nano­meter erwarten die En­twickler der über drei Kilo­meter langen Anlage extrem kurze Pulse, die weniger als 100 Femto­sekunden dauern sollen. Da­mit wird sich ein neues Fenster für die Erfor­schung schneller atomarer und mole­kularer Prozesse eröffnen. Nicht ganz so leistungs­stark, dafür aber sehr viel kleiner und günstiger können schon heute wenige Meter große Röntgen­laser für ähnliche Experi­mente genutzt werden.

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Abb.: Kleiner Röntgen­laser emittiert danke eines kontrollierten Krypton-Plasmas erst­mals extrem kurze Licht­pulse von nur 450 fs Länge (künstlerische Illiustration; Bild: ENSTA ParisTech)

„Unser Ansatz soll Versuche ermög­lichen, die bisher nur großen An­lagen wie dem XFEL vor­behalten waren“, sagt Adrien Depresseux vom Laboratoire d'Optique Appliquée an der Université Paris-Saclay. Mit seinen Kollegen ge­lang es ihm, Laser­pulse im weichen Röntgenbereich bei 32,8 Nano­meter Wellen­länge mit einer extrem kurzen Puls­dauer von nur 450 Femto­sekunden zu erzeugen. Bisher konnten kleine Röntgen­laser nur deutlich längere Pulse von wenigen Piko­sekunden Dauer emittieren.

Die Grundlage der Laser­emission im weichen Röntgen­bereich bildete ein Plasma aus Krypton-Ionen. Über eine Serie von Pulsen eines Ti-Saphir-Lasers, der bei einer Wellen­länge von 813 Nanometern mit dreißig Femto­sekunden Puls­­dauer eine starke Leistung von fünf Joule bringt, ionisierten die Forscher zuerst Krypton-Atome in einem Gas­strahl. Angeregt mit weiteren Laser­pulsen und unterstützt durch Kollisionen zwischen den Ionen ließ sich eine Elektronenverteilung mit einer ausgeprägten Besetzungs­inversion erzeugen.

Eine wichtige Rolle für die unge­wöhn­liche kurze Puls­dauer spielte die Struktur des Krypton-Plasmas. Mit einer Sequenz von kurzen (130 mJ, 30 fs) und langen (690 mJ, 600 ps) Pulsen erzeugten Depresseux und Kollegen einen Wellen­leiter-Strahl, der die Elektronen­dichte in dem Plasma­kanal maß­geblich beeinflusste. Damit konnte eine spontane Emission bei 32,8 Nanometer Wellen­länge mit Pulsdauern von 450 Femto­sekunden erreicht werden. Verantwortlich war dabei der Krypton-Übergang 3d9 4dJ=0 → 3d9 4pJ=1.

Dieser Röntgen­laser im Labor­größe belegt, dass auch ohne Kilo­meter lange Teilchen­beschleuniger Röntgen­pulse mit unter einer Piko­sekunde Länge erzeugt werden können. Sie können die Puls­qualität großer Röntgen­laser zwar bei Weitem nicht erreichen, doch genügen sie für Analyse einiger mole­ku­lar­­dyna­mischer Pro­zesse. Anlagen wie den XFEL werden solche Table-Top-Systeme aller­dings nicht ersetzen können. Doch da für Messungen am XFEL voraus­sicht­lich ab 2017 mit langen Warte­zeiten und einem strengen Bewerbungs­ver­fahren zu rechnen ist, könnten Table-Top-Röntgen­laser für zeit­­sparende Vor­versuche sinn­voll ein­gesetzt werden.

Jan Oliver Löfken

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