Originalveröffentlichung

Olga Jahn, Vyacheslav E. Leshchenko, Paraskevas Tzallas, Alexander Kessel, Mathias Krüger, Andreas Münzer, Sergei A. Trushin, George D. Tsakiris, Subhendu Kahaly, Dmitri Kormin, Laszlo Veisz, Vladimir Pervak, Ferenc Krausz, Zsuzsanna Major und Stefan Karsch

Towards intense isolated attosecond pulses from relativistic surface high harmonics

Optica, Vol. 6, Nummer3, März 2019

Kontakt

Prof. Stefan Karsch
Abteilung Attosekundenphysik
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Str. 1
85748 Garching
Tel: 089 32905 322 // -722
E-Mail: stefan.karsch@mpq.mpg.de 

Olga Jahn
Abteilung Attosekundenphysik
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Str. 1
85748 Garching
Tel: 089 32905 789
E-Mail: olga.jahn@mpq.mpg.de 

Zuschauer am Plasmaspiegel

Zuschauer am Plasmaspiegel

Physiker des Labors für Attosekundenphysik am MPI für Quantenoptik in Garching und der LMU München haben die Erzeugung intensiver Attosekunden-Lichtblitze an festen Oberflächen perfektioniert.

25. April 2019

Licht ist wandelbar. Trifft es auf einen Spiegel, der sich mit knapper Lichtgeschwindigkeit darauf zu bewegt, verschiebt sich seine Wellenlänge bis hinein ins extrem ultraviolette Spektrum. Diesen Effekt hatte bereits Albert Einstein beschrieben. Seine Theorie wurde fast 100 Jahre später, nach der Entwicklung hochintensiver Laserlicht-Quellen, experimentell bestätigt. Das Phänomen haben Laserphysiker des Labors für Attosekundenphysik(LAP) am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching (MPQ) und der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) so präzise unter Kontrolle gebracht, dass es nun möglich ist, die aus dem reflektierten Licht erzeugten, hochintensiven Attosekunden-lange Lichtblitze auf einer bisher nicht erreichte Genauigkeit zu steuern, um sie in der Ultrakurzzeit-Forschung einzusetzen.

Attosekundenblitze entstehen an Glasoberflächen indem ein starker Laserpuls diese ionisiert und ein dichtes Gemisch aus frei beweglichen Elektronen und nahezu ruhenden Atomrümpfen bildet. Jedes Einsprengsel auf der Glasoberfläche markiert den Einschlag eines Laserpulses. Bild vergrößern
Attosekundenblitze entstehen an Glasoberflächen indem ein starker Laserpuls diese ionisiert und ein dichtes Gemisch aus frei beweglichen Elektronen und nahezu ruhenden Atomrümpfen bildet. Jedes Einsprengsel auf der Glasoberfläche markiert den Einschlag eines Laserpulses. [weniger]

Lichtblitze, die nur Attosekunden (Milliardstel einer milliardstel Sekunde, as) lange dauern, sind zu einem der wichtigsten Werkzeuge der Ultrakurzzeitforschung geworden. Mit ihrer Hilfe erhält man Einblicke in die Bewegungen von Elektronen in Atomen und Molekülen. Die Erzeugung solch kurzer Lichtblitze geschieht in der Regel über die Wechselwirkung von Laserlicht und Edelgasatomen. Der Nachteil der Methode ist, dass die erzeugten as-Pulse eine  niedrige Intensität haben. Eine Alternative ist die Erzeugung von as-Pulsen an relativistisch oszillierenden Spiegeloberflächen. Dabei interagiert der Laser mit fester Materie, meist aus Quarzglas.

Ein kleiner Teil des einfallenden Laserlichts dient dazu, die Glasoberfläche zu ionisieren und ein Plasma, ein dichtes Gemisch aus frei beweglichen Elektronen und nahezu ruhenden Atomrümpfen, zu bilden. Dieser Zustand gleicht Metallen, bei denen sich ein Teil der Elektronen im Material frei bewegt. Seine dichte Plasmaoberfläche verhält sich ähnlich wie ein Metallspiegel. Durch das elektrische Feld des restlichen, einfallenden Lichts wird diese Oberfläche in Schwingungen mit Spitzengeschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit versetzt. Daran reflektiert das Laserlicht. Durch den Doppler Effekt erfährt es eine Frequenzverschiebung bis in den extremen Ultraviolett-Bereich (XUV-Bereich). Je schneller die Bewegung des Spiegels, desto stärker die Verschiebung. Da die Zeiten, in denen sich der Spiegel mit maximaler Geschwindigkeit bewegt, extrem kurz sind, können die Laserphysiker Lichtblitze mit Attosekunden-Dauer im XUV-Bereich herausfiltern. Diese Lichtblitze haben eine weitaus höhere Intensität als die konventionell produzierten Pulse und können laut Simulationen Photonenenergien bis zum Kiloelektronenvolt-Bereich erreichen.

Die LAP-Physiker haben es nun in Kooperation mit Kollegen des ELI (Extreme Light Infrastructure) in Ungarn, des FORTH (Foundation for Research & Technology – Hellas) in Griechenland und der Umeå Universität in Schweden erstmals geschafft, sehr genaue Einblicke in die Abläufe dieses Phänomens zu erhalten. Dazu haben sie die Strahlprofile und Energieverteilung der emittierten as-Pulse analysiert und zudem die so genannte Träger-Einhüllenden-Phase (engl. Carrier-envelope phase, CEP) des ursprünglichen Laserpulses in Echtzeit verfolgt. „Unsere Beobachtungen erlauben es nun, die optimalen Bedingungen für die Erzeugung von Attosekunden-Lichtblitzen mittels des Plasmaspiegels zu schaffen“, erklärt Olga Jahn, Erstautorin der Studie. „Wir konnten zeigen, dass wir auch isolierte Attosekunden-Lichtblitze generieren können aus optischen Laserpulsen, die über drei Wellenschwingungen verfügen.“

Die Erkenntnisse der LAP-Physiker helfen nun die Produktion von as-Lichtblitzen über Plasmaspiegel deutlich zu vereinfachen und zu standardisieren. Die vergleichsweise hohen Intensitäten eröffnen neue Möglichkeiten für die Spektroskopie im ultravioletten Spektrum des Lichts um neue Einblicke in die Welt der Atome und Moleküle zu gewinnen.

 
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