Röntgenstrahlung mit UV-Laser erzeugt

  • 03. December 2015

Neues Verfahren zeigt überraschend hohe Effizienz.

Intensive kohärente Röntgenstrahlung eröffnet vielfältige Möglichkeiten für die Strukturanalyse in der Physik, der Biologie und anderen Gebieten. Sehr kompakte Röntgenquellen beruhen auf der Erzeugung von höheren Harmonischen mittels Laserstrahlung. Ein besonders effizientes Verfahren dafür haben jetzt Wissenschaftler vom JILA in Boulder entdeckt.

Abb.: Durch Erzeugung höherer Harmonischer ruft der UV-Laserstrahl im gasgefüllten Wellenleiter Röntgenstrahlung hervor. (Bild: AAAS)

Abb.: Durch Erzeugung höherer Harmonischer ruft der UV-Laserstrahl im gasgefüllten Wellenleiter Röntgenstrahlung hervor. (Bild: AAAS)

Forscher um die Brüder Tenio und Dimitar Popmintchev haben aus UV-Laserstrahlung von 270 nm Wellenlänge weiche Röntgenstrahlung mit einer Photonenenergie von bis zu 280 eV erzeugt. Die hohe Intensität und Kohärenz dieser gepulsten Röntgenstrahlung war für sie eine echte Überraschung, wie im Titel ihrer aktuellen Veröffentlichung anklingt.

Sie haben die gepulste UV-Strahlung eines Titan:Saphir-Lasers durch einen hohlen, mit Argongas gefüllten Wellenleiter geschickt, der eine Länge von 1 bis 15 mm und einen Durchmesser von 150 bis 400 µm hatte. Der Gasdruck konnte zwischen 1 und 1500 Torr verändert werden. Ein Filter hielt die aus dem Wellenleiter kommende Laserstrahlung zurück, sodass nur die erzeugte Röntgenstrahlung übrigbleib.

Durch das starke elektrische Feld der UV-Laserstrahlung wurden die Argonatome im Takt der Laserfrequenz ein- oder mehrfach ionisiert. Das zeitlich periodische Feld trug die losgerissenen Elektronen erst vom Atomrumpf weg und brachte sie dann wieder zu ihm zurück, sodass er sie einfangen konnte. Dabei gaben sie ihre Bewegungsenergie ab, die auf ein ganzzahliges Vielfaches der Energie der UV-Laserphotonen angewachsen war.

Es entstanden somit höhere Harmonische der UV-Laserfrequenz, die den Bereich vom UV bis zur weichen Röntgenstrahlung überdeckten. Dabei hatten die mit 280 eV energiereichsten Röntgenphotonen eine Frequenz, die der 61. Harmonischen entsprach. Der Theorie zufolge rührte sie von fünffach ionisiertem Argon her.

Abb.: Die UV-Laserstrahlung reißt ein Elektron vom Atomrumpf weg und lässt es dann wieder auf ihn prallen, wobei Röntgenstrahlung entsteht; damit alle Atome kohärent strahlen, müssen sich der Laserpuls und der Röntgenpuls gemeinsam und mit angepassten Phasen im Gas ausbreiten. (Bild: AAAS)

Abb.: Die UV-Laserstrahlung reißt ein Elektron vom Atomrumpf weg und lässt es dann wieder auf ihn prallen, wobei Röntgenstrahlung entsteht; damit alle Atome kohärent strahlen, müssen sich der Laserpuls und der Röntgenpuls gemeinsam und mit angepassten Phasen im Gas ausbreiten. (Bild: AAAS)

Damit die Atome die Röntgenstrahlung auch kohärent, also im Gleichtakt abgeben können, müssen der Laserpuls und der von ihm hervorgerufene Röntgenpuls in Phase sein und mit derselben Geschwindigkeit durch das Gas im Innern des Wellenleiters laufen. Ersten Überlegungen zufolge sollte diese Phasenanpassung umso schwieriger zu erreichen sein, je kurzwelliger das Laserlicht ist, mit dem man die höheren Harmonischen erzeugt.

Frühere Experimente der Forscher hatten gezeigt, dass man mit IR-Lasern höhere Harmonische von sehr hoher Ordnung erzeugen kann und dafür nur eine relativ geringe Laserintensität benötigt. Allerdings war die so erzeugte weiche Röntgenstrahlung ebenfalls von geringer Intensität. Die schwache Laserstrahlung ionisierte das Gas nur sehr wenig, sodass das entstehende Plasma die Phasenanpassung nur geringfügig stören konnte.

Benutzt man hingegen einen UV-Laser, so braucht man eine größere Intensität, um höhere Harmonische im Röntgenbereich zu erzeugen. Wegen der hohen Laserintensität wird das Gas schon weit vor dem Maximum des Laserpulses stark ionisiert, wodurch die UV- und die Röntgenstrahlung unterschiedlich schnell vorankommen und aus dem Takt geraten sollten. Doch das Forscherteam hat entdeckt, dass unter bestimmten Bedingungen (so muss beispielsweise der Gasdruck etwa 400 Torr betragen) ein unerwartetes Zusammenspiel der elektromagnetischen Eigenschaften der Atome, der Ionen und des Plasmas für eine gute Phasenanpassung sorgt.

Ist dies gewährleistet, so kommt ein Vorzug der UV- gegenüber der IR-Strahlung bei der Erzeugung der Röntgenstrahlen zum Tragen. Wegen der höheren Laserfrequenz kehren die von einem Atom losgerissenen Elektronen schneller wieder zum Atomrumpf zurück. Deshalb ist die Gefahr geringer, dass sie durch „Quantendiffusion“ wegwandern und verlorengehen. Folglich lässt sich mit einem UV-Laser intensivere Röntgenstrahlung erzeugen als mit einem vergleichbaren IR-Laser.

Was ihr Verfahren zu leisten vermag, demonstrierten die Forscher, indem sie aus der Röntgenstrahlung eine einzelne Harmonische bei einer Wellenlänge von 13,5 nm herausfilterten, die für die Lithographie technologisch wichtig ist. Diese Röntgenlinie war sehr schmal: Ihre Linienbreite betrug nur 1/420-stel der Wellenlänge. Ihr Photonenfluss war größer als 1011 pro Sekunde. Außerdem war die Strahlung sehr kohärent, wie ihre Beugung an einem Doppelspalt zeigte. Angesichts der großen Auswahl an UV-Lasern, glauben die Forscher, dass ihr Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung ideal für viele Anwendungen ist.

Rainer Scharf

PH

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