Geschrumpfte XUV-Laser
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
