Lichtimpulse mit wenigen optischen Zyklen durchbrechen 300-Watt-Barriere

Extrem kurze Lichtimpulse mit nur wenigen Schwingungen des elektro­magnetischen Feldes gehören zu den schnellsten künstlich erzeugten Ereignissen. Obwohl die ersten Lichtimpulse mit wenigen optischen Zyklen bereits vor etwa dreißig Jahren produziert wurden, konnten sie bislang nur in der Spitzen­forschung eingesetzt werden, etwa für zeit­auf­gelöste Studien oder die Erzeugung von Atto­sekunden­pulsen. Um den Weg in industrielle Anwendungen zu finden, müssen eine Reihe großer Heraus­forderungen angegangen werden, wie beispielsweise der voll­auto­matische Betrieb sowie die Energie- und Leistungs­hoch­skalierung der Quellen.

Wissenschaftler des Max-Born-Instituts für nicht­lineare Optik und Kurz­zeit­spektro­skopie, des Laser-Labora­toriums Göttingen, sowie des Unter­nehmens Active Fiber Systems folgten jetzt einem neuartigen Ansatz, indem sie drei­hundert Femto­sekunden lange Impulse von einem hoch­energe­tischen Hoch­leistungs­laser­system direkt auf die Dauer von wenigen Zyklen kompri­mierten. Das erfordert eine dreißig­fache Kompression, die erst seit kurzem durch die Einführung der gestreckten, flexiblen Hohl­faser­techno­logie möglich ist, die eine praktisch unein­geschränkte Längen­skalier­barkeit bietet.

In der Studie wurde ein kohärent kombi­nierter Mehr­kanal-Faser­laser mit Impulsen von bis zu zehn Milli­joule bei bis zu einem Kilowatt Durch­schnitts­leistung als Licht­quelle verwendet. Dieses System wird derzeit bei AFS für die große europäische Laser­anlage ELI ALPS in Szeged, Ungarn, entwickelt. Bei der Puls­kompression wurde eine sechs Meter lange, gestreckte, flexible Hohlfaser verwendet, die von MBI und LLG gemeinsam entwickelt wurde.

Während sich die Impulse durch in den Hohl­wellen­leiter eingefülltes Argongas ausbreiten, findet eine nicht­lineare Wechsel­wirkung zwischen dem intensiven Licht und den Gasatomen statt, die das Spektrum verbreitert. Die Impulse mit einem wesentlich verbreiterten Spektrum können dann auf eine kürzere Dauer komprimiert werden, indem ihre spektrale Phase mit einem Satz von gechirpten Spiegeln kompensiert wird. Auf diese Weise gelang es dem Team, multi-mJ-, 10 fs-Pulse mit 100 kHz Wiederholrate bei einer durch­schnitt­lichen Leistung von 318 W zu erzeugen, was die höchste jemals erreichte Durch­schnitts­leistung eines Lasers mit wenigen Zyklen ist.

Diese Leistung zeigt, dass mit Hilfe der gestreckten flexiblen Hohl­faser­techno­logie Hoch­leistungs­laser in Industrie­qualität in das wenig-Zyklus-Regime gebracht werden können. Das eröffnet neue Möglich­keiten für industrielle Anwendungen, wie zum Beispiel die hoch­paralleli­sierte Material­bearbeitung.

FV Berlin / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:
  T. Nagy et al.: Generation of three-cycle multi-millijoule laser pulses at 318 W average power, Optica 6, 1423 (2019); DOI: 10.1364/OPTICA.6.001423
• Attosecond Physics,  Max-Born-Institut für nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie, Berlin
• Abt. Kurze Pulse / Nanostrukturen, Laser-Laboratorium Göttingen
• Active Fiber Systems GmbH, Jena