„Wir machen Laserpulse stärker, schneller und kürzer“

© Simon Koy

Physiker, Mediziner, Chemiker – alle warten auf kürzere und energiereichere Laserpulse. Die Forschung von Dr. Hanieh Fattahi zeigt, wie es geht.

Sie sprechen von der „dritten Generation der Femtosekunden-Technologie“. Was bedeutet das?

Die erste Generation Femtosekundenpulse kamen aus Farbstofflasern, die verschiedene Frequenzen produzieren konnten. Mit denen bekam man zwar ultrakurze Pulse hin, konnte aber weder die Pulsenergie noch die mittlere Leistung – also die Repetitionsrate – erhöhen. Dann kam die Titan:Saphir-basierte Lasertechnologie.

Hier musste man sich entscheiden, ob man entweder die Pulsenergie aufdrehen will oder die Repetitionsrate. Beides zugleich geht nicht, weil sonst der Kristall überhitzt. Bei der dritten Generation ist es nun möglich, viele sehr kurze Pulse sowohl mit hoher Pulsenergie als auch mit hoher Repetitionsrate zu kreieren.

Wie funktioniert das?

Die dritte Generation basiert auf einem OPCPA – kurz für Optical Parametric Chirped Pulse Amplification –, der die Laserpulse verstärkt. Das ist nicht brandneu – solche Systeme gibt es schon seit den 1970er Jahren. Um aber OPCPAs richtig auszunutzen, braucht man eine verdammt gute Pumpquelle: skalierbar und stabil.

Die gibt es schlüsselfertig mit dem Ytterbium:YAG-Scheibenlaser von TRUMPF. Er erzeugt verlässlich Pulse mit einer Dauer von 900 Femtosekunden und ist frei skalierbar, was Repetitionsrate und Energie angeht. Die Pulse aus diesem Hochleistungsscheibenlaser verstärken wir und machen sie noch einmal 1.000 Mal kürzer mit kohärenter Synthese.

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Hanieh Fattahi studierte Biophysik an der Sharif-Universität in Teheran und forscht seit 2008 am Münchner Max-Planck-Institut für Quantenoptik im Labor für Attosekundenphysik. (Foto: Simon Koy)

In meiner Dissertation zeige ich, wie wir folgende Parameter erreichen können: ultrakurze Pulse mit einer Dauer von einem Feldzyklus, Pulsspitzenleistung im Terawatt-, einer mittleren Leistung im Kilowattbereich und einer Repetitionsrate zwischen 500 und 1000 Hertz. Das war zuvor nicht möglich.

Bitte erklären Sie uns, wie Sie das schaffen!

Dafür braucht man ein sehr breites Farbspektrum. Denn je mehr Frequenzenkomponenten man in einem Puls vereint, desto kürzer wird er. Bei einem Puls mit wenig Energie geht das noch recht leicht. Wenn Sie den verstärken wollen, können Sie einfach einen OPCPA benutzen. Aber es gibt physikalische Grenzen bei der Materie: Man kann in einem einzelnen OPCPA-Kristall nur wenige Frequenzen gleichzeitig verstärken.

Also habe ich einen Verstärkeraufbau entworfen, um diese Beschränkung zu umgehen: Ich spalte den Laserpuls in verschiedene Frequenzkomponenten auf und schicke jede einzeln durch einen separaten Verstärker. Man könnte von einem Mehrkanal-OPCPA-System sprechen.

So gewinne ich verschiedene hochenergetische ultrakurze Pulse unterschiedlicher Frequenz. Danach führe ich sie kohärent in der Zeitdimension wieder zusammen, das heißt ich synchronisiere sie mittels eines Wellenform-Synthesizers.

So werden Attosekundenblitze erzeugt:

Attosekundenpulse gewinnt man, indem man hochenergetisierte Femtosekundenpulse in ein nichtlineares Medium, zum Beispiel einen Edelgasstrahl, fokussiert. Das starke elektrische Feld der Laserpulse übertrifft die atomare Bindungsenergie und beschleunigt Elektronen weg vom Atomkern. Die Elektronengeschwindigkeit erreicht mehrere zehntausend Kilometer pro Sekunde.

Aber bereits in der nächsten Halbschwingung des Laserpulses – die Elektronen konnten unterdessen nur ein paar Nanometer weit kommen – werden sie schon wieder zurück Richtung Atomkern gezwungen. Es kann zur Rekollision kommen. Bei diesem Vorgang geben die Elektronen ihre gesamte durch das Laserfeld gewonnene Energie in Form eines Attosekundenpulses wieder ab.

Je höher die Intensität des Femtosekundenlaserpulses ist, desto höher werden die Harmonischen und desto kürzer und energetischer werden die Attosekundenpulse.

Und was ist das Ergebnis?

Einen Sub-Cycle-Puls mit einer spektralen Bandbreite von mehreren Oktaven. Potenziell geht das mit unendlich vielen Frequenzkomponenten. Auf diese Weise können wir die Dauer der Laserpulse bis hinunter zu 500 Attosekunden stauchen. Wir kriegen also Attosekundenpulse direkt aus dem OPCPA und dem Ytterbium:YAG-Scheibenlaser! Ein schöner Nebeneffekt dieser Methode ist die hohe Konversionseffizienz von 30 Prozent. In anderen Verstärkersystemen sind eher 20 Prozent üblich.  

Was ist das Ziel Ihrer Forschung?

Wir wollen diese gestauchten und verstärkten Laserpulse nutzen, um indirekt noch viel kürzere Attosekundenpulse zu erzeugen. Wir fokussieren damit in einen Edelgasstrahl und beschleunigen die Elektronen der Gasatome. Die Elektronen fallen wieder zurück und geben dabei Attosekundenpulse ab.

Die maximale Photonenenergie, die wir bislang aus einem nichtlinearen Medium – also dem Edelgas – herausbekommen haben, sind 200 Elektronenvolt. Aber mit der dritten Generation Femtosekundentechnologie werden wir die Photonenenergie massiv erhöhen; hoffentlich bis zu einer Größe von über tausend Elektronenvolt. Kiloelektronenvolt im Labor – das ist der Traum eines jeden Hochfeld-Physikers!

Was kann man mit den kürzeren Attosekundenpulsen anstellen?

Das wird uns viele neue Möglichkeiten geben! Zum Beispiel werden wir damit das präziseste, höchstaufgelöste Mikroskop der Welt konstruieren, um Elektronen im Raum zu beobachten. Mehr noch: Die Attosekundepulse werden uns quasi als Kamerablende dienen. So können wir dann die Bewegungen von Elektronen filmen.

Lassen Sie es mich so erklären: Je schneller ein Ereignis ist, desto schneller muss die Blende arbeiten. Wenn Sie ein Auto fotografieren wollen, das sich schneller bewegt als sich die Blende Ihrer Kamera schließt, verwischt das Bild. Elektronen sind wahnsinnig schnell. Nur Attosekundenpulse kommen hier als Kamerablende in Frage.

Das große Ziel ist es, ein vierdimensionales Video der Elektronenbewegung in Materie zu drehen – drei Raumdimensionen plus Zeit. Es gibt bereits ganz erfolgreiche Versuche, Elektronenbewegungen in Gasen sichtbar zu machen. Aber für Festkörper, wo Elektronen sehr fest verbunden sind, sind wir auf höhere Photonenenergien im Kiloelektronenvolt-Bereich angewiesen. Sehen Sie: Die meisten Dinge auf der Welt sind nun einmal Festkörper. Also ist es wichtig zu wissen, was da vor sich geht.

Abgesehen davon, dass es uns neues Wissen bringt: Wozu könnte so ein Elektronenvideo gut sein?

Elektronen spielen eine große Rolle in unserem Leben. Zum Beispiel hängt so vieles auf der Welt von Elektronik ab, deren Funktion auf Elektronenbewegung basiert, nämlich auf elektrischem Strom. Elektronen sind Materie und haben daher eine definierte Geschwindigkeit, die man nicht beliebig erhöhen kann. Licht hingegen ist viel schneller als Elektronen.

Ich will einmal die Chance haben, einen Blick in ein Atom zu werfen. Ich liebe die Vorstellung, so tief zu schauen!

Es ist immens wichtig, das Zusammenspiel von Licht und Materie zu verstehen, denn eines Tages könnten wir Menschen diese Interaktion benutzen, um optische Transistoren bauen. Diese Transistoren können dann unglaublich schnell öffnen und schließen und erlauben superschnelle Rechenoperationen. Die Möglichkeiten, die sich daraus ergeben sind schier grenzenlos.

Wann wird es soweit sein?

Kiloelektronenvolt-Photonen wird es in den nächsten zwei Jahren geben, denke ich; ein System, mit dem man Elektronen-Bilder aufnehmen kann, in vier oder fünf Jahren. Was die optischen Transistoren betrifft, halte ich mich mit Prognosen zurück.

Was treibt Sie an?

Ich will einmal die Chance haben, einen Blick in ein Atom zu werfen. Ich liebe die Vorstellung, so tief zu schauen! In den letzten Jahren war ich vollauf mit der Laserentwicklung beschäftigt. Da fühlte ich mich im Labor manchmal wie eine Zauberin! Ich konnte jede Frequenz erzeugen, die ich wollte. Ytterbium:YAG-Laserlicht ist infrarot, man kann es nicht sehen. Doch dann wandelt man es per nichtlinearer Optik im Labor in verschiedene Frequenzen um und plötzlich werden Millionen wunderschöner Farben sichtbar – aus dem Nichts.

Aber nur scheinbar aus dem Nichts, denn da ist ja etwas; man konnte es vorher nur nicht sehen. Es gibt so viele Dinge, die da sind, ohne dass wir sie anschauen können. Darum will ich ja auch die Elektronenbewegung sichtbar machen.

Wissen Sie, das Alltagsleben als Forscherin ist zu 95 Prozent grau: Laser aufbauen, defekte Komponenten wieder zum Laufen bringen. Aber die fünf Prozent, wenn dann mal alles klappt und man weiterkommt, die sind so großartig, dass sie alles überstrahlen. Dafür lebe und arbeite ich!


Hier erfahren Sie mehr über die Forschung zur Attosekundenphysik des Max-Planck-Institut für Quantenoptik:

 

 


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