Aus Femto mach Atto

© Foto | Christian Hackenberger, LMU München

TRUMPF Scientific Lasers arbeitet an effizienten Strahlquellen zur Attosekunden-Pulserzeugung.

Wie wäre es Moleküle in ihrer Entstehung zu betrachten – Elektronenbewegungen sichtbar zu machen? Die Anwendungsmöglichkeiten in Medizin, Biologie und Chemie wären beträchtlich – die Wirkung eines Medikamentes auf die atomare Ebene könnte entsprechend designed werden.

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Im nächsten Schritt könnten atomare Bindungen gelöst und die Elektronenbewegung beeinflusst werden – Moleküle maßgeschneidert sozusagen. Neuartige Röntgenquellen erlauben zukünftig Tumore bereits in der frühsten Entstehungsphase zu erkennen und zu behandeln. Klingt nach ferner Zukunft und Science Fiction, ist es aber nicht. Für den ersten Schritt, die Beobachtung, benötigt es nur eine Kamera, die schnell genug ist, diese Prozesse mit ihrer realen Geschwindigkeit im Attosekundenbereich aufzunehmen. Als solche Kameras dienen daher Strahlungsquellen, die kurze Lichtblitze mit eben jener Pulsdauer aussenden. Die Erzeugung und auch die vielfältigen Anwendungen dieser Attosekundenpulse ist in Forschungslaboren etabliert.

Zur Generierung dieser Attosekundenpulse werden hochenergetische Laserpulse mit einer Dauer von wenigen Femtosekunden, sogenannte few-cycle Pulse, in einer Vakuumkammer in 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.

Seltene Strahlquellen

Aber bereits in der nächsten Halbschwingung des Laserpulses, die Elektronen konnten nur ein paar Nanometer weit kommen, werden sie 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. Bei diesen Pulsen handelt es sich um kohärente Röntgenstrahlung. Der Prozess zur Erzeugung von isolierten Attosekundenpulsen wird nur durch den Einsatz der hochenergetischen few-cycle Pulse möglich. Bisher sind solche Strahlquellen kaum am Markt vorhanden.

Regeneratives Verstärkersystem

Das regenerative Verstärker System SDL,von TRUMPF Scientific Lasers.

Hier kommt TRUMPF Scientific Lasers ins Spiel. Das Joint Venture des Laserherstellers TRUMPF mit Ultrakurzpulslaser-Größe Professor Ferenc Krausz vereint Grundlagenforschung und industrielles Ultrakurzpulslaserwissen um unter anderem effiziente Strahlquellen für die Attosekunden-Pulserzeugung zu fertigen. Wissenschaftlich korrekt bezeichnet handelt es sich dabei um ein Optical-Parametric Chirped Pulse Amplification (OPCPA)-System; dies bedeutet ein ultrakurzer Seedpuls aus einem Titan-Saphir Oszillator wird in mehreren Schritten verstärkt, so dass er die nötige Pulsspitzenleistung zum Erzeugen von Attosekundenpulses aufweist.

Der Seedpuls hat eine Dauer von wenigen Femtosekunden mit einem breiten Wellenlängenspektrum. Allerdings haben diese Pulse mit wenigen Nanojoule noch keine ausreichende Pulsenergie. Um sie mit der nötigen Energie zu versorgen, wird ein Teil der Pulse in einem geeigneten nichtlinearen Kristall mit hochenergetischen aber spektral schmalen Pulsen eines Laserverstärkers überlagert. Als Laserverstärker dient ein regenerativer Scheibenverstärker, der auf der TruMicro Serie 5000 von TRUMPF aufbaut. Die hiermit verstärkten sogenannten Pumppulse verfügen nun über eine große Pulsenergie von mehreren 10 Millijoule, bei Pulsdauern im Pikosekunden-Bereich.

Pulse im Gleichschritt

Der nächste Schritt führt Seed- und Pumppulse in einem optisch-parametrischen Verstärker (OPA) zusammen. Die Pulse überlagern sich so, dass sie die jeweils gewünschten Eigenschaften verbinden: die Kürze und das Spektrum der Seedpulse sowie die hohe Pulsenergie der Pumppulse. Dabei ist es von fundamentaler Bedeutung, dass das Zusammentreffen der Pulse zeitlich synchron erfolgt. Dazu entwickelten die Experten von TRUMPF Scientific Lasers ein Synchronisierungskonzept. Dieses garantiert, dass sich beide Pulse exakt im richtigen Moment treffen, und stellt somit eine stabile und zuverlässige Strahlquelle sicher.

scheme-regenative-amplifier-opcpa

So funktioniert’s: Schema der Funktionsweise eines regenerativen Verstärkers OPCPA-System, wie TRUMPF Scientific Lasers es herstellt.

Der Vorteil des parametrischen Verstärkerkonzeptes ist die direkte Übertragung von Energie auf den Seedpuls ohne die Erzeugung von Wärme im Kristall. Zudem bleibt nahezu die komplette spektrale Bandbreite der Seedpulse erhalten, was die Erzeugung von hochenergetischen und zugleich ultrakurzen Laserpulsen ermöglicht. Da die Energieskalierung eines solchen OPCPA-Systems entscheidend von der zur Verfügung stehenden Pumpenergie abhängt, eignen sich regenerative Verstärker auf Scheibenbasis exzellent als Pumpquelle dieser Systeme.

Spitzenleistungen von 50 Gigawatt

Diese Pumpquelle haben die Laserexperten aus München bereits auf der Laser World of Photonics im Mai 2013 vorgestellt. Sie wartet mit beachtlichen Pulsenergien von bis zu 50 Millijoule und mittleren Leistungen bis zu 300 Watt sowie Pulsspitzenleistungen von bis zu 50 Gigawatt auf. Das System bietet außerdem eine umfassende Skalierbarkeit von Pulsenergie und Pulsdauer und kann so individuell an die Bedürfnisse der Anwendung angepasst werden. Es kann Repetitionsraten von einem Kilohertz bis zu einem Megahertz erzielen.

Mit der aktuellen TRUMPF Scheibentechnologie lassen sich Pumplaser mit einer Energie bis zu zwei Joule realisieren. Durch den Einsatz dieser neuartigen Pumpquelle und über das Hintereinanderschalten mehrerer parametrischer Verstärkerstufen kann TRUMPF Scientific Lasers in Zukunft somit Pulsspitzenleistungen von einigen Terawatt bei Pulsdauern von wenigen Femtosekunden verwirklichen. Diese bieten eine einzigartige Voraussetzung für eine extrem effiziente und kompakte Attosekunden-Pulserzeugung. Aktuell befindet sich ein erstes OPCPA-System im Aufbau. Parallel dazu wird die Entwicklung der regenerativen Verstärker weiter vorangetrieben. Bereits im Frühjahr 2014 werden Laserenergien bis zu 200 Millijoule erreicht werden.

Scheibenlaser

Scheibenlaser sind ein zuverlässiges Werkzeug für das Pumpen von Verstärkersystemen. Hier der Optikaufbau der TruMicro Serie 5000.

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