Neue Quelle für ultrakurze IR-Pulse

  • 06. October 2017

Einen mehrstufiger optisch-parametrischer Verstärker koppelten die Entwickler mit einem kompakten Lasersystem.

Ultra­kurze Licht­impulse sind ein wichtiges Werkzeug der Grundlagen­forschung und haben Eingang in zahlreiche optische Techno­logien gefunden. Dabei spielt der infra­rote Spektral­bereich bei Wellen­längen größer als einem Mikrometer nicht nur in optischen Kommu­nikations­systemen eine zentrale Rolle; auch in der optischen Mess- und Analyse­technik und in bild­gebenden Verfahren wird Licht mit Wellenlängen zwischen etwa einem und 300 µm eingesetzt. Eine besondere technische Heraus­forderung sind extrem kurze Impulse, in denen die Licht­wellen nur wenige Male, im Grenzfall nur einmal hin- und her­schwingen. Die Erzeugung derartiger „Wenig­zyklen“-Impulse erfordert eine genaue Kontrolle der Phase von Licht­wellen und ihrer Aus­breitungs­bedingungen.

Abb.: Experimentelle Anordnung des dreistufigen parametrischen Verstärkers. Als Verstärkungsmedium dienen drei nichtlineare ZnGeP hoch 2-Kristalle (ZGP I-III). Die optischen Strahlengänge sind in Falschfarben dargestellt. (Bild: MBI)

Abb.: Experimentelle Anordnung des dreistufigen parametrischen Verstärkers. Als Verstärkungsmedium dienen drei nichtlineare ZnGeP hoch 2-Kristalle (ZGP I-III). Die optischen Strahlengänge sind in Falschfarben dargestellt. (Bild: MBI)

Forscher vom Max-Born-Institut in Berlin und der ameri­kanischen Firma BAE Systems in Nashua ent­wickelten nun eine neue Licht­quelle, die ultra­kurze Infrarot­impulse mit Rekord­parametern liefert. Das hoch­kompakte System beruht auf dem Konzept der optisch-para­metrischen Verstärkung, bei der ein schwacher ultra­kurzer Infrarot­impuls durch die Wechsel­wirkung mit einem inten­siven Pumpimpuls kürzerer Wellen­länge in einem nicht­linearen Kristall verstärkt wird. In der neuen Lichtquelle treiben Pump­impulse von etwas zehn Picosekunden Dauer mit Energien von bis zu 20 mJ bei 2 µm Wellenlänge einen drei­stufigen para­metrischen Ver­stärker.

Ein neuar­tiger Licht­modulator kommt zum Einsatz, um die verstärkten Impulse bei einer Wellenlänge von 5 µm optimal kompri­mieren zu können. Die ver­stärkten Impulse besitzen eine Energie von rund einem Milli­joule und eine Dauer von 75 Femto­sekunden, was einer Spitzen­leistung um acht Gigawatt innerhalb von etwa vier optischen Zyklen der Lichtwelle entspricht. Die hoch­stabilen Infrarot­impulse stehen mit einer Wieder­holrate von einem Kilohertz zur Verfügung und weisen exzellente optische Strahl­parameter auf. Ausgangs­leistung und Repe­titions­rate des Systems sind skalierbar und können für verschiedene Einsatz­bereiche optimiert werden.

Diese Ergebnisse eröffnen neue Anwendungs­felder in der Ultrakurz­zeitphysik, etwa bei der Unter­suchung (bio)mole­kularer Schwingungs­dynamik, nieder­frequenter Anregungen in Fest­körpern oder bei der Erzeugung kurz­welliger ultra­kurzer Impulse. Das neue Infrarot­system wird gegen­wärtig als optischer Treiber in eine Labor­quelle integriert, die harte Röntgen­impulse von etwa 100 Femto­sekunden Dauer mit Wiederhol­raten im Kilohertz­bereich erzeugen wird.

FV Berlin / JOL

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