Die Zukunft ultrakurzer Laserpulse

Unsere Kenntnisse über Elektronen könnten sich mit der rasanten Entwicklung der nächsten Generation ultrakurzer Lichtblitze enorm erweitern.

Eine neue Generation von Lichtblitzen – die sogenannte dritte Generation von Femtosekunden-Laserpulsen –  treibt die Erforschung von Ultrakurzzeit-Ereignissen im Mikrokosmos voran. Mit ihr könnten bald die Bewegungen kleinster Teilchen, wie Elektronen, detaillierter als bisher beobachtet werden. Ein Team um Prof. Ferenc Krausz vom Labor für Attosekundenphysik (LAP) des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) und der Ludwig-Maximilians Universität München (LMU) berichtet im neuen Wissenschaftsmagazin „Optica“ der Optical Society of America über die dafür notwendige Lasertechnologie und deren Perspektiven.

Die Erzeugung von Laserpulsen, die nur Femtosekunden dauern, hat seit ihrer erstmaligen Produktion in den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts eine imposante Entwicklung genommen. Alles begann mit Farbstofflasern, deren Pulse knapp unter einer Pikosekunde lang waren. Schnell gelangte man zu Zeiten von wenigen Femtosekunden Dauer (eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer milliardstel Sekunde, 10-15s). Heute hat ein wenige Femtosekunden langer Laserpuls nur wenige Ausschläge der Lichtwellen und damit des elektromagnetischen Feldes. Dabei nehmen die Ausschläge bis zur Mitte des Pulses zu, erreichen kurz eine Gipfelhöhe (Peak) und fallen danach wieder ab.

Femtosekunden-Pulse können in der Spitze ihres Lichtwellenausschlages Leistungen von vielen  Terawatt (Billionen Watt, 1012 Watt) erreichen. Zum Vergleich: Ein Atomkraftwerk produziert typischerweise eine Leistung auf der Größenordnung von 1 Gigawatt Leistung (109 Watt), das sind mehr als tausendmal weniger Watt. Die nächste, so genannte dritte Generation der Femtosekunden-Laserpulse wird Lichtblitze mit Terawatt-Spitzen-Leistungen erstmals mehrere Tausend Mal in der Sekunde bereitstellen. Diese Frequenz ist hundert- bis tausendmal höher als bisher. 

Bild 1: Blick auf einen Scheibenlaser. Seine Geometrie garantiert im Vergleich zu herkömmlichen Festkörperlasern bei zunehmender Leistung einen stabileren Betrieb.

Möglich macht dies heute vor allem die Technologie der Scheibenlaser. Bei einem Scheibenlaser ist der lichtverstärkende Kristall eine dünne Scheibe. Diese Geometrie garantiert im Vergleich zu herkömmlichen Festkörperlasern bei zunehmender Leistung einen stabileren Betrieb. Die Pikosekundenpulse aus dieser Quelle eignen sich ideal zum Pumpen sogenannter optischer parametrischer Verstärker. Diese Verstärker wandeln die Energie der Pikosekundenpulse in Lichtpulse mit einer Dauer von wenigen Femtosekunden und Spitzenleistungen im Terawatt-Bereich um.


Die dritte Generation Femtosekundenpulse wird ihrerseits, theoretischen Untersuchungen zufolge, wiederum die nächste Generation Attosekunden-langer Lichtblitze zur Erforschung des Mikrokosmos, und vor allem der Fotografie von Elektronen, erzeugen (eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer milliardstel Sekunde, 10-18s). Die Wellenlänge dieser Blitze wird weniger als einen Nanometer betragen. Das werden dann die ersten Attosekunden-Lichtblitze im Röntgenbereich sein. Solche Attosekunden-Röntgenblitze werden – mittels Röntgenbeugung – scharfe Momentaufnahmen über die Position von Elektronen innerhalb von Molekülen und Festkörpern mit einer Genauigkeit unter einem Nanometer liefern. Aus einer Serie solcher Attosekunden-Momentaufnahmen wird man die durch die Quantenmechanik bestimmten „Laufwege“ von Elektronen in atomaren Systemen erstmals verfolgen können.

Bild 2: Attosekunden-Lichtblitz-Erzeugung am Max-Planck-Institut für Quantenoptik: Ein Femtosekunden-Laserpuls trifft auf Edelgasatome, die aus einer kleinen Düse strömen. Die Elektronen dieser Edelgasatome nehmen die Energie des Laserlichts auf und geben es anschließend in Form eines Attosekunden-Lichtblitzes wieder ab.

Im neuen Laserforschungszentrum Laboratory for Extreme Photonics (LEX Photonics) der Ludwig-Maximilians-Universität München, arbeiten die Physiker bereits an dieser dritten Generation Femtosekunden-Laserpulse, um die Attosekunden-Lichtblitzerzeugung in den Bereich der Röntgenstrahlen auszuweiten. Da die Welt der Elektronen bis jetzt nur im Ansatz verstanden ist, bietet sich durch die verbesserte Lasertechnik die Chance, dem Mikrokosmos immer mehr Geheimnisse zu entreißen. Mit den künftigen Attosekunden-Röntgenblitzen  könnte es sogar möglich sein Echtzeit-Filme über jedwede Teilchenbewegungen außerhalb des Atomkerns zu „drehen“. Thorsten Naeser

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