Eine neue Anleitung zu extrem starken Lichtimpulsen

Der ersten Demonstration des Lasers im Jahr 1960 folgte schnell die Geburtsstunde eines neuen Forschungsgebiets: der nichtlinearen Optik. Die einzigartigen Kohärenzeigenschaften der stimulierten Emission, dem grundlegenden physikalischen Prozess der Laserstrahlung, haben Intensitäten ermöglicht, die die von inkohärenten Quellen um viele Größenordnungen übertreffen. Die hohen Intensitäten treiben Elektronen so stark an, dass sie mit anderen Frequenzen schwingen als das treibende Lichtfeld. Die anschließende Dipolemission kann extrem bunt sein. Um diesen Effekt zu maximieren und extrem breitbandige Lichtpulse zu erzeugen, werden seit Jahrzehnten optische Fasern oder Laserfilamente als Wellenleiter eingesetzt.

Wenn die Laserpulse jedoch zu viel Energie transportieren, werden Fasern beschädigt und Lichtfäden brechen auf, sodass die einzigartigen räumlichen Eigenschaften der Laserstrahlung verloren gehen. Forscher des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY in Hamburg und des Helmholtz-Instituts Jena haben jetzt über eine neue Methode zur energieskalierbaren Lichtleitung berichtet. Die Führung wird durch die Verwendung von zwei Refokussierungsspiegeln und die sorgfältige Beabstandung von dünnen nichtlinearen Glasfenstern erreicht.

Die Wissenschaftler in einer aktuellen Veröffentlichung in Ultraschnelle Wissenschaft dass Lichtpulse in einem solchen Aufbau mehr als das 30-fache ihrer Ausgangsbandbreite bekommen und folglich um denselben Faktor komprimiert werden können. Dies verkürzt ihre Dauer und erhöht ihre Spitzenleistung erheblich. Bemerkenswerterweise wurden diese Experimente mit Laserpulsen durchgeführt, die die Spitzenleistungsgrenze in Glasfasern um den Faktor 40 überstiegen. Trotz Ausbreitung durch insgesamt etwa 40 cm Glas blieben Strahlqualität und Pulsenergie jedoch hoch. „Wir haben zwei neuere Ansätze elegant kombiniert, um die Bandbreite ultrakurzer Pulse zu erweitern. Trotzdem ist der optische Aufbau wirklich einfach. Alle Optiken, die wir in unserem spektralen Verbreiterungsschema verwendet haben, waren Lagerware. Dies und die hervorragenden Rauscheigenschaften machen uns weit zutreffend“, sagt Dr. Marcus Seidel, Erstautor der Publikation.

DR. Christoph Heyl, Nachwuchsgruppenleiter bei DESY und dem Helmholtz-Institut Jena, ergänzt: „Es gibt einen klaren Trend in der ultraschnellen Lasertechnologie hin zu Quellen mit hoher mittlerer Leistung, die oft nur Pulse mit einer Dauer von Pikosekunden erzeugen können. Unsere Methode liefert eine Energie – , größen- und kostengünstiger Ansatz, um diese Laser in gepulste Quellen mit nur zehn Femtosekunden mit Gigawatt-Spitzenleistung umzuwandeln.

Das Femtosekundenregime ist die Zeitskala der molekularen Bewegung, die mit ultrakurzen Pulsen erfasst und manipuliert werden kann. Außerdem sind Femtosekundenpulse zu schnell, um eine Wärmeerzeugung nach der Ionisierung zu ermöglichen. Es ist in der Lasermaterialbearbeitung weit verbreitet. An DESYs Freie-Elektronen-Laser-Anlage FLASH wird seit einigen Monaten der Ansatz der Handgelenkskompression eingesetzt. Dies hat es Wissenschaftlern ermöglicht, genaue Fotos der Molekulardynamik in neuen Quantenmaterialien zu machen.

„Unsere Nutzer waren sehr zufrieden damit“, sagt Dr. Seidel und mit Blick nach vorne: „Wir freuen uns natürlich, wenn diese Technologie neueste wissenschaftliche Experimente bei DESY und vielen anderen Instituten weltweit ermöglicht.“

DR. Heyls Team veröffentlichte kürzlich Simulationen, die die Erweiterung des demonstrierten Ansatzes auf Terawatt-Spitzenkräfte und Impulsenergie auf Joule-Ebene zeigen. Die Umsetzung eines solchen energieskalierten Experiments wird die Tür zu völlig neuen Anwendungen öffnen.

„Spektralverbreiterung und Pulskompression wurden vom Nobelpreisträger 2018, Gérard Mourou, als Schlüsselmethoden zur Förderung der Starkfeldphysik identifiziert“, sagt Dr. Hallo Ich. „Mit der neuen Technologie kann ihre Vorhersage Gestalt annehmen. Wir entwickeln in unseren Labors bereits einen ersten kompakten zellbasierten Multi-Pass-Teilchenbeschleuniger. Wir erwarten, dass das Konzept auch Auswirkungen auf die zukünftige Strahlentherapie und möglicherweise sogar auf Laser-basierte hat Verschmelzung. “

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