Kohärente Lichtquelle im Extremen Ultraviolett mit MHz-Wiederholrate

Projektleiter: Dr. Jens Rauschenberger
Projekt-Koordinator der King Saud Universität: Prof. Dr. Abdallah Azzeer

Schon seit mehreren Jahren produzieren Wissenschaftler kohärente Lichtpulse im Extremen Ultraviolett (XUV) über die Erzeugung Harmonischer in Gastargets. Diese mittlerweile weitverbreitete Technik hat große Entdeckungen ermöglicht und schließlich zum Forschungsgebiet der Attosekundenphysik geführt.

In jüngster Zeit ist dieses Konzept einen großen Schritt weiterentwickelt worden. Um die niedrige Konversionseffizienz beim einmaligen Gang durch das Gastarget zu verbessern, wurde vorgeschlagen, die Harmonischen in einem sogenannten Überhöhungsresonator zu erzeugen. Diese Methode wurde bereits in ersten Experimenten erprobt. Die Anordnung des Konversionstargets in einem Resonator bietet folgende Vorteile: (1) Die hohen Spitzenintensitäten (mehr als 10¹³ W/cm²), die für die Umwandlung notwendig sind, können ohne Kompromisse bei der Pulswiederholungsrate erreicht werden. Während in konventionellen Verstärkersystemen die Wiederholungsrate auf den Kilohertzbereich reduziert wird, ermöglicht es die Erzeugung von Harmonischen im Resonator, die volle Megahertzrate des Treiberlasers auszunutzen. (2) Da die nicht umgewandelte Strahlung wieder dem Resonator zugeführt wird, wird die Konversionseffizienz erheblich gesteigert. (3) Durch die fünf Größenordnungen höher liegenden Wiederholraten wird die mittlere Leistung des XUV-Lichts erheblich gesteigert. (4) Die experimentelle Anordnung ist weniger komplex und kostspielig als konventionelle Verstärkersysteme.

Diese Vorteile ermöglichen viele Anwendungen in Wissenschaft und Industrie. Wissenschaftliche Anwendungen nutzen die erhöhte Pulsfrequenz aus. Bei der zeitaufgelösten Spektroskopie erlaubt es die MHz-Wiederholungsrate, effizientere Koinzidenzmessungen an Elektronen und Ionen vorzunehmen. Auf diese Weise kann schließlich die Attosekundenauflösung erstmals mit der erhöhten Aussagekraft der Koinzidenzmessungen verbunden werden. Im Bereich der hochpräzisen Frequenzmetrologie wird es mit der neuen Lichtquelle möglich, die Frequenzkammtechnik auf den XUV-Bereich auszudehnen, was wiederum eine weiter gehende Überprüfung der Quantenelektrodynamik ermöglicht.

Aber auch die Industrie könnte von der neuen Lichtquelle profitieren: Mit ihr ließen sich die bei der XUV-Lithographie bei 13 Nanometern verwendeten optischen Komponenten charakterisieren. Dies ist der entscheidende Schlüssel im Wettlauf zu immer kleineren Halbleiterstrukturen und schnelleren Computern.