Höchste Leistung aus vier Zyklen – Rekordwerte bei der Erzeugung ultrakurzer Infrarotimpulse

Ultrakurze Lichtimpulse sind ein wichtiges Werkzeug der Grundlagenforschung und haben Eingang in zahlreiche optische Technologien gefunden. Dabei spielt der infrarote Spektralbereich bei Wellenlängen größer als 1 µm (1 µm = 10 hoch 6 m = 1 Millionstel Meter) nicht nur in optischen Kommunikationssystemen eine zentrale Rolle; auch in der optischen Mess- und Analysetechnik und in bildgebenden Verfahren wird Licht mit Wellenlängen zwischen ca. 1 und 300 µm eingesetzt.

Eine besondere technische Herausforderung sind extrem kurze Impulse, in denen die Lichtwellen nur wenige Male, im Grenzfall nur einmal hin- und herschwingen. Die Erzeugung derartiger „Wenigzyklen“-Impulse erfordert eine genaue Kontrolle der Phase von Lichtwellen und ihrer Ausbreitungsbedingungen. Die Erzeugung intensiver Infrarotimpulse mit wenigen optischen Zyklen, hoher Intensität und Stabilität ist ein zentrales Thema moderner Laserforschung.

In der Fachzeitschrift Optics Letters berichten Forscher vom Max-Born-Institut in Berlin und der Firma BAE Systems, Nashua, NH, USA, über eine neue Lichtquelle, die ultrakurze Infrarotimpulse mit Rekordparametern liefert.

Das hochkompakte System beruht auf dem Konzept der optisch-parametrischen Verstärkung, engl. „Optical Parametric Chirped Pulse Amplification“ (OPCPA), bei der ein schwacher ultrakurzer Infrarotimpuls durch die Wechselwirkung mit einem intensiven Pumpimpuls kürzerer Wellenlänge in einem nichtlinearen Kristall verstärkt wird.

In der neuen Lichtquelle treiben Pumpimpulse von ca. 10 ps Dauer mit Energien von bis zu 20 mJ bei 2 µm Wellenlänge einen dreistufigen parametrischen Verstärker. Ein neuartiger Lichtmodulator kommt zum Einsatz, um die verstärkten Impulse bei einer Wellenlänge von 5 µm optimal komprimieren zu können. Die verstärkten Impulse besitzen eine Energie von ca. 1 mJ und eine Dauer von 75 fs, was einer Spitzenleistung um 8 GW innerhalb von ca. 4 optischen Zyklen der Lichtwelle entspricht.

Die hochstabilen Infrarotimpulse stehen mit einer Wiederholrate von 1 kHz zur Verfügung und weisen exzellente optische Strahlparameter auf. Ausgangsleistung und Repetitionsrate des Systems sind skalierbar und können für verschiedene Einsatzbereiche optimiert werden.

Diese Ergebnisse wurden vom Editor-in-Chief der Zeitschrift Optics Letters als herausragend gewürdigt und eröffnen neue Anwendungsfelder in der Ultrakurzzeitphysik, etwa bei der Untersuchung (bio)molekularer Schwingungsdynamik, niederfrequenter Anregungen in Festkörpern oder bei der Erzeugung kurzwelliger ultrakurzer Impulse. Das neue Infrarotsystem wird gegenwärtig als optischer Treiber in eine Laborquelle integriert, die harte Röntgenimpulse von ca. 100 fs Dauer mit Wiederholraten im Kilohertzbereich erzeugen wird.

Abb. 1. Experimentelle Anordnung des dreistufigen parametrischen Verstärkers. Als Verstärkungsmedium dienen drei nichtlineare ZnGeP hoch 2-Kristalle (ZGP I-III). Die optischen Strahlengänge sind in Falschfarben dargestellt. Quelle: MBI

Abb. 2. Zeitliche Intensitätseinhüllende der Infrarotimpulse (blau) von 75 fs Dauer (~4 optische Zyklen) bei einer Wellenlänge von 5 µm. Inset: Spektral und zeitliche aufgelöste Impulsstruktur aus einer FROG-Messung (FROG: Frequency Resolved Optical Gating). Quelle: MBI

Originalartikel:
L. von Grafenstein, M. Bock, D. Ueberschaer, K. Zawilski, P. Schunemann, U. Griebner und T. Elsaesser, 5 µm few-cycle pulses with multi-gigawatt peak power at a 1 kHz repetition rate, Optics Letters 42, 3796-3799 (2017).

Kontakt:
Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI)
Dr. Uwe Griebner, Tel.: 030 / 6392 1457
Dr. Martin Bock, Tel.: 030 / 6392 1442
Prof. Dr. Thomas Elsaesser, Tel.: 030 / 6392 1400
www.mbi-berlin.de

https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-42-19-3796