Forschung

Geschrumpfte XUV-Laser

28.06.2021 - Neues Konzept könnte in vielen Laboren weltweit umgesetzt werden.

Ein inter­nationales Forscherteam hat ein neues Konzept für die Erzeugung von intensiver extrem-ultra­violetter (XUV) Strahlung basierend auf Höherer Harmo­nischen Generation (HHG) demonstriert. Der Vorteil liegt darin, dass sein Fuß­abdruck viel kleiner als bei bisher genutzten intensiven XUV-Lasern ist. Das neue Schema ist einfach und könnte in vielen Laboren auf der ganzen Welt umgesetzt werden, was dem Feld der ultra­schnellen XUV-Wissenschaft einen Auftrieb verleihen könnte. 

Viele Anwendungen profitieren von der Verfügbarkeit von kompakten Laserquellen im sichtbaren Bereich des elektro­magnetischen Spektrums. Bei XUV-Wellen­längen ist die Situation eine völlig andere: Hier wurden sehr große Einrich­tungen – Freie-Elektronen Laser – gebaut, um intensive XUV-Laser­pulse zu erzeugen. Ein Beispiel ist FLASH in Hamburg, das sich über mehrere hundert Meter erstreckt. Es wurden auch kleinere intensive XUV-Quellen basierend auf der HHG entwickelt. Allerdings erstrecken sich diese Quellen immer noch über mindestens zehn Meter, und sie wurden bisher nur an sehr wenigen Universitäten und Forschungs­einrichtungen weltweit demonstriert. Forschende vom Max-Born-Institut, ELI-ALPS im unga­rischen Szeged und INCDTIM im rumänischen Cluj-Napoca haben kürzlich ein neues Schema für die Erzeugung von intensiven XUV-Pulsen entwickelt. Ihr Konzept basiert auf HHG, wobei ein Laserpuls im Nah-Infraroten (NIR) Spektral­bereich in ein gasförmiges Medium fokussiert wird. Dabei werden sehr kurze Lichtblitze erzeugt mit Frequenzen, die Harmonischen der NIR-Laserpulse entsprechen. Typischer­weise können diese Lichtblitze dem XUV-Bereich zugeordnet werden. Um intensive XUV-Pulse erzeugen zu können, ist es wichtig, so viel XUV-Licht wie möglich zu erzeugen. Dies wird typischer­weise dadurch erreicht, dass ein sehr großer Fokus des NIR-Lasers erzeugt wird, was letztlich ein sehr großes Labor erfordert. 

Am Max-Born-Institut ist es nun gelungen, einen intensiven XUV-Laser zu schrumpfen, sodass der gesamte Aufbau sich nur noch über zwei Meter erstreckt. Um dies zu erreichen, haben sie den folgenden Trick angewandt: Anstatt das XUV-Licht in der Nähe des Fokus des NIR-Lasers zu erzeugen, haben sie einen sehr dichten Strahl von Atomen relativ weit weg vom NIR-Fokus platziert. Dies hat zwei wichtige Vorteile: Da der NIR-Strahl an der Stelle des Jets recht groß ist, werden viele XUV-Photonen erzeugt. Und da außerdem auch der erzeugte XUV-Strahl recht groß ist und eine große Divergenz aufweist, kann er zu einer sehr kleinen Strahl­größe fokussiert werden. Die hohe Zahl von XUV-Photonen in Kombi­nation mit der kleinen XUV-Fokus­größe ermöglicht die Erzeugung inten­siver XUV-Laserpulse. Diese Ergebnisse wurden durch Computer-Simu­lationen bestätigt.

Um zu demonstrieren, dass die erzeugten XUV-Pulse tatsäch­lich sehr intensiv sind, haben die Forscher die Multi-Photonen-Ionisa­tion von Argon Atomen untersucht. Sie waren in der Lage, diesen Atomen mehrere Elektronen zu entreißen, was zu beobachteten Ladungszuständen von Ar²⁺ und Ar³⁺ geführt hat. Dies erfordert die Absorption von zwei oder vier XUV-Photonen. Trotz der kleinen Größe der neuartigen XUV-Lichtquelle ist die erzeugte XUV-Inten­sität höher als in vielen existierenden intensiven XUV-Licht­quellen. Das neue Konzept kann in vielen Laboren auf der ganzen Welt umgesetzt werden, und verschiedene Diszi­plinen könnten davon profitieren. Dies beinhaltet etwa die Atto­sekunden-Pump-Probe-Spektro­skopie, die bisher nur sehr schwierig umzusetzen war. Der neue kompakte intensive XUV-Laser könnte die Stabilitäts­probleme, die mit dieser Technik einhergehen, überwinden helfen, um damit die Dynamiken von Elektronen auf extrem kurzen Zeitskalen beobachten zu können. Ein weiteres Feld ist die Abbildung von nanometer­großen Objekten. Dies könnte die Möglichkeiten erweitern, um Filme im Nano­kosmos auf Femto­sekunden- oder sogar Atto­sekunden-Zeitzskalen zu drehen.

MBI / JOL

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