International Cooperative Research Project Japanese Science Fund JST und MPQ

Forschungsplan: „Ultrashort Pulse Laser Project”

  In jüngster Zeit haben Untersuchungen mit ultrakurzen Laserpulsen viel zu der Erforschung der Bio-, Nano- und Informationswissenschaften beigetragen. Vor allem die Metrologie erlebte einen Schub durch die Frequenzkammtechnik, für deren Entwicklung sich Prof. Theodor W. Hänsch die Hälfte des Nobelpreises für Physik 2005 mit Prof. John Hall teilte. Die beiden Wissenschaftler verwendeten dabei phasenstabilisierte Pulse aus modenverkoppelten Lasern. Der Frequenzkamm findet heute in vielen Bereichen eine Anwendung, wie z. B. bei der Datenübertragung, den Biowissenschaften und -technologien und der Medizin. Kurze Lichtpulse haben gegenüber längeren Pulsen gleicher Energie den Vorteil, höhere Spitzenleistungen zu liefern. Sie können daher ohne thermische Nebeneffekte in der Laserbearbeitung verwendet werden und erzielen bei optisch nichtlinearen Abbildungsprozessen höhere Signal/ Rausch-Verhältnisse.

  Die japanische Gruppe von Prof. Kobayashi war der Vorreiter bei der Erzeugung von Femtosekunden-Pulsen im sichtbaren Spektralbereich. Dabei nutzte sie einen parametrischen optischen Prozess in einer neuartigen Anordnung eines nicht-kollinearen parametrischen Verstärkers (NOPA). Die Gruppe hatte nicht nur Erfolg bei der Erzeugung kurzer Pulse, sondern auch bei deren Anwendung in der Echtzeit-Spektroskopie von Vibrationszuständen und anderen elektronischen Übergängen. Die von der japanischen Gruppe entwickelten Techniken werden für die effiziente Erzeugung korrelierter Photonenzustände benutzt. Der übliche Prozess sowohl für die Erzeugung ultrakurzer Pulse als auch von verschränkten Photonen ist die parametrische Laserwechselwirkung in optisch nichtlinearen Medien. Die japanische Gruppe entwickelte nicht nur Strahlungsquellen für ultrakurze Lichtpulse sondern auch ein hochempfindliches Vielkanal-Detektor-System. Die Kombination beider Instrumente ermöglicht die Echtzeit-Beobachtung molekularer Vibrationszustände, die unmittelbar die Struktur des Moleküls während der Relaxation, der chemischen Reaktion und der Vibration liefert.

  Die deutsche Gruppe von Prof. Krausz ist Spitzenreiter bei der Erzeugung von Attosekundenpulsen im weichen Röntgenbereich. Ihre Methode beruht auf der Erzeugung Hoher Harmonischer (high-order harmonic generation, HHG) von intensiven phasenstabilisierten Pulsen aus wenigen Wellenzügen und der Charakterisierung dieser Pulse mit Attosekunden-Streak-Kameras, die eine Auflösung von < 100 Attosekunden erlauben. Im Hinblick auf Anwendungen entwickeln die deutschen Forscher Laser für ultrakurze Röntgenpulse und für den Nachweis und die Steuerung von Elektronenpaketen. Die deutsche Gruppe deckt damit die Bereiche der weichen und mittleren Röntgenstrahlung ab, welche die Spektralbereiche der japanischen Gruppe – UV, Sichtbares Licht und Infrarot-Strahlung – ergänzen. Auch die hier erzeugten Attosekundepulse ergänzen den Femto- und Pikosekundenbereich, den die japanische Gruppe erschließen will.

  Die Zusammenarbeit der japanischen und der deutsche Gruppe begann schon vor mehreren Jahren. Mitglieder der japanischen Gruppe, die an der Entwicklung der NOPA-Verstärkungstechnik beteiligt waren, mit der sich die weltweit kürzesten passiv erzeugten phasenstabilisierten Pulse im sichtbaren Bereich erzeugen lassen, beschäftigten sich innerhalb der deutschen Gruppe mit dem Aufbau eines hybriden Stabilisierungssystems, das die passive Methode der Japaner mit der aktiven der deutschen Gruppe kombiniert.

  Absicht:
Zweck dieser Gemeinschaftsforschung von Japanern und Deutschen ist die Entwicklung ultraschneller Laserquellen und ihrer Anwendungen. Die japanische Gruppe arbeitet weiter mit phasenstabilisierten Lasersystemen für den ultravioletten, sichtbaren und infraroten Spektralbereich. Sie konzipiert außerdem ein hochempfindliches Nachweissystem mit sehr großer Bandbreite, um photochemische Reaktionen, Photonen-induzierte Phasenübergänge und ultraschnelle dynamische Veränderungen mit einer zeitlichen Auflösung von bis zu einer Femtosekunde und einer räumlichen Auflösung von 20 Milli-Angström zu untersuchen. Die deutsche Gruppe dagegen entwickelt einen Treiberlaser für die Erzeugung von Attosekunden-Pulsen im weichen und kurzwelligeren Röntgenbereich. Sie plant, diese Technik auf die Röntgenbeugung anzuwenden, um die Dynamik ultraschneller Strukturänderungen, z.B. in Proteinen und Ähnlichem, zu untersuchen. In Rahmen der ICORP-Kooperation arbeiten deutsche und japanische Forscher eng zusammen, um Lasersysteme für ultrakurze phasenstabilisierte Infrarotpulse zu entwickeln. Diese sollen zum einen der Erforschung der phasenempfindlichen molekularen Vibrationsdynamik dienen, die bei den thermochemischen und photochemischen Reaktionen der japanischen Experimente auftritt. Zum anderen lassen sie sich von der deutschen Gruppe als Treiberlaser für die Ausweitung der Grenzfrequenz bei der Erzeugung Hoher Harmonischer verwenden.

Ziele:
Mit Hilfe intensiver Infrarot-Pulse soll der Frequenzbereich der Harmonischen über den derzeit erzeugten weichen Röntgenbereich ausgedehnt werden. Infrarot-Laserstrahlung bietet den Vorteil, das „ponderative“ Potential zu verstärken, das mit dem Quadrat der mittleren Wellenlänge des Laserpulses zunimmt. Es bestimmt die für HHG höchsten erreichbaren Photonenenergien. Die Methode der Quasi-Phasenanpassung zwischen Laser-Treiberpuls und Harmonischen-Puls soll den Röntgen-Photonenfluss bei Energien bis zu 1 keV verstärken.

Die japanische und die deutsche Gruppe wollen solche ultrakurzen Infrarot-Laserpulse in enger Zusammenarbeit entwickeln. Das Augenmerk der japanischen Gruppe wird dabei auf Lasersystemen für die Steuerung der Moleküldynamik liegen, während die deutsche Gruppe sich auf die Erweiterung des Frequenzbereichs konzentriert.

Die Erzeugung kohärenter Röntgenstrahlung könnte in den nächsten 10 Jahren zu bahnbrechenden Neuerungen in Medizin und Technik führen.

Die Ziele des „Ultrashort Pulse Laser Project“ lassen sich wie folgt zusammenfassen:

(1) Steuerung der Vibrationsbewegung in molekularen Strukturen, um schließlich chemische Reaktionen in komplexen molekularen Systemen steuern zu können.
(2) Echtzeit-Beobachtung von photo-physikalischen, -chemischen und –biologischen Prozessen mit Hilfe der Elektronen- und Vibrationsspektroskopie mit einer zeitlichen Auflösung von einer Femtosekunde und einer räumlichen Auflösung von 0,02 Angström.
(3) Steuerung der Elektronenbewegung auf molekularen Orbitalen, um schließlich chemische Reaktionen in komplexen molekularen Systemen kontrollieren zu können.
(4) Untersuchung der Dynamik von Elektronen und Atomkernen in komplexen molekularen Systemen durch Spektroskopie und Beugung von Attosekunden-Photoelektronen.

 Um diese Ziele zu erreichen, wird die japanische Gruppe (1) einen Prototyp für eine Quelle von phasenstabilen ultrakurzen Infrarot-Pulsen sowie (2) phasenstabile Pulse im UV-VIS und Quellen für Femtosekundenpulse im IR entwickeln, und ferner (3) einen Vielkanal-Detektor mit einem schnellen Scan-Mechanismus bauen, der mit Hilfe der ultraschnellen Vibrations-Echtzeit-Spektroskopie unmittelbar molekulare Strukturen mit einer Auflösung von 20 Angström sichtbar macht.

Die deutsche Gruppe wird sich vor allem auf (1) die Entwicklung von leistungsstarken Quellen für phasenstabile IR-Pulse und (2) die Synthese intensiver mehrere Oktaven umspannenden UV-VIS-IR-Licht Wellenformen konzentrieren. Sie wird ferner (3) die Erzeugung von Attosekundenpulsen und die Attosekunden-Metrologie auf den Röntgenbereich ausdehnen sowie eine Attosekunden-Streak-Kamera entwickeln.

Das mit diesen Entwicklungen verknüpfte Kow-How wird die deutsche Gruppe an die japanische weitergeben. Sie wird diese darüber hinaus bei der Beschaffung der Hardware-Komponenten und dem Aufbau der Lasersysteme, die der IR-Spektroskopie dienen sollen, in Japan unterstützen. Ein Vergleich der Ergebnisse der IR-Spektroskopie mit den Resultaten der deutschen Gruppe in der Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie wird von großem wissenschaftlichem Wert sein.

• weitere Informationen

  Top