Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ultrakurze Hochleistungs-Laserpulse

13.09.2016

An der TU Wien gelang es, ultrakurze Laserpulse zu komprimieren und ihre Leistung auf ein halbes Terawatt zu erhöhen – das entspricht der Leistung von hunderten Kernreaktoren.

Es ist ein äußerst ungewöhnlicher Laser: Das Forschungsteam am Institut für Photonik an der TU Wien hat ein Gerät entwickelt, das ultrakurze Infrarot-Blitze mit extrem hoher Energie produziert.


Optische Bank am Institut für Photonik (TU Wien)

TU Wien


Andrius Baltuska, Audrius Pugzlys, Valentina Shumakova (v.l.n.r)

TU Wien

„Große Wellenlängen im Infrarotbereich, eine kurze Dauer der Laserpulse und hohe Energie – diese drei Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen ist sehr schwer“, sagt Valentina Shumakova. „Aber diese Kombination ist genau was wir für viele interessante Starkfeld-Experimente brauchen.“

Nun gelang dem Team ein entscheidender Durchbruch: Indem energiereiche Pulse im mittleren Infrarotbereich durch ein festes Material gesendet wurden, konnten die Pulse zeitlich und räumlich komprimiert werden.

Die Gesamtenergie bleibt gleich, kann nun aber in deutlich kürzerer Zeit übertragen werden, wodurch sich eine extrem hohe Leistung von bis zu einem halben Terawatt ergibt – das entspricht der Leistung von hunderten Kernreaktoren.

Während diese ihre Leistung allerdings kontinuierlich über lange Zeiträume bringen, dauert der Laserpuls nur etwa 30 Femtosekunden (Millionstel einer Milliardstelsekunde). Die Forschungsergebnisse wurden nun im Fachjournal „Nature Communications“ veröffentlicht.

Unsichtbare Farben

„Unter bestimmten Bedingungen kann sich ein Laserpuls selbst komprimieren und kürzer werden. Das ist ein wohlbekanntes Phänomen in der Lasertechnik“, sagt Audrius Pugzlys. „Aber bisher dachte man, dass diese Selbst-Kompression in festen Materialien bei derart hohen Intensitäten unmöglich ist.“

Im Gegensatz zum Licht eines gewöhnlichen Laserpointers besteht ein ultrakurzer Laserpuls nicht nur aus einer bestimmten Farbe. Er ist eine Mischung aus einem Spektrum unterschiedlicher Wellenlängen – in diesem Fall im Infratot-Bereich um einen Mittelwert von 3.9 Mikrometern, unsichtbar für das menschliche Auge.

Im Vakuum bewegt sich Licht immer gleich schnell fort, unabhängig von der Wellenlänge. Bei Licht, das sich durch ein festes Material bewegt, ist das allerdings nicht der Fall. „Das Material führt dazu, dass sich gewisse Komponenten des Laserpulses schneller bewegen als andere. Wenn dieser Effekt klug genutzt wird, komprimiert sich dadurch der Puls. Er wird kürzer, einfach indem er durch das Material geschickt wird“, sagt Skirmantas Alisauskas.

Diese Technik lässt sich allerdings nicht immer anwenden. „Wenn die Intensität des Lichtpulses sehr hoch ist, dann neigt er dazu, auf chaotische Weise zu kollabieren und sich in einzelne, voneinander getrennte Filamente aufzuspalten“, sagt Audrius Pugzlys. „Das lässt sich mit einem Blitz vergleichen, der sich spontan in mehrere Zweige teilt.“ Jeder dieser Zweige trägt nur einen kleinen Teil der Energie des ursprünglichen Strahls, der daraus resultierende Laserstrahl kann nicht mehr für Startfeld-Laserexperimente genutzt werden.

Filamentations-Grenzwerten um vier Größenordnungen

Das Team der TU Wien hat nun in Zusammenarbeit mit einer Forschungsgruppe der Universität Moskau allerdings herausgefunden, dass es bestimmte Bedingungen gibt, unter denen die Kompression des Laserpulses bei extrem hohen Intensitäten möglich ist, ohne dass der Laserpuls in einzelne Filamente zerfällt. „Wie sich herausstellt, haben wir es mit unterschiedlichen Längenskalen zu tun“, sagt Valentina Shumakova. „Die Längenskala der Filamentation ist größer als die Längen, auf denen es zur Kompression des Laserpulses kommt. Wir können daher einen Parameterbereich finden, in dem der Laserpuls zwar komprimiert wird, aber der störende Filamentations-Effekt noch ausbleibt.“ Die Leistung des Laserpulses ist um einen Faktor 10.000 höher als der Grenzwert, über dem Filamentation einsetzt – und trotzdem kollabiert er nicht.

Das Team verwendete einen Yttrium-Aluminium-Granat-Kristall mit einer Dicke von wenigen Millimetern – und die Resultate sind bemerkenswert: Indem ein Laserpuls durch den Kristall geschickt wird, kann man ihn von 94 Femtosekunden auf 30 Femtosekunden verkürzen. Die Energie bleibt fast gleich, die Leistung erhöht sich um einen Faktor drei, auf beinahe ein halbes Terawatt. „Nachdem der Puls so kurz ist, hat er insgesamt immer noch relativ wenig Energie. Aber diese außerordentlich hohe Leistung öffnet uns die Tür zu ganz neuen spannenden Experimenten und vielleicht auch zu neuen lasertechnologischen Anwendungen“, sagt Audrius Pugzlys.

Originalpublikation: “Multi-millijoule few-cycle Mid-IR pulses through nonlinear self-compression in bulk”, Nature Communications, 13. September 2016.

Fotodownload: https://www.tuwien.ac.at/dle/pr/aktuelles/downloads/magnetit/hochleistungs_laser...

Rückfragehinweis:
Dr. Audrius Pugzlys
Institut für Photonik
Technische Universität Wien
T: +43-1-58801-38720
audrius.pugzlys@tuwien.ac.at

Dr. Florian Aigner | Technische Universität Wien

Weitere Berichte zu: Energie Infrarotbereich Kristall Laserpuls Licht Material Photonik

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Bilder magnetischer Strukturen auf der Nano-Skala
20.04.2018 | Georg-August-Universität Göttingen

nachricht Licht macht Ionen Beine
20.04.2018 | Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Software mit Grips

Ein computergestütztes Netzwerk zeigt, wie die Ionenkanäle in der Membran von Nervenzellen so verschiedenartige Fähigkeiten wie Kurzzeitgedächtnis und Hirnwellen steuern können

Nervenzellen, die auch dann aktiv sind, wenn der auslösende Reiz verstummt ist, sind die Grundlage für ein Kurzzeitgedächtnis. Durch rhythmisch aktive...

Im Focus: Der komplette Zellatlas und Stammbaum eines unsterblichen Plattwurms

Von einer einzigen Stammzelle zur Vielzahl hochdifferenzierter Körperzellen: Den vollständigen Stammbaum eines ausgewachsenen Organismus haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Berlin und München in „Science“ publiziert. Entscheidend war der kombinierte Einsatz von RNA- und computerbasierten Technologien.

Wie werden aus einheitlichen Stammzellen komplexe Körperzellen mit sehr unterschiedlichen Funktionen? Die Differenzierung von Stammzellen in verschiedenste...

Im Focus: Spider silk key to new bone-fixing composite

University of Connecticut researchers have created a biodegradable composite made of silk fibers that can be used to repair broken load-bearing bones without the complications sometimes presented by other materials.

Repairing major load-bearing bones such as those in the leg can be a long and uncomfortable process.

Im Focus: Verbesserte Stabilität von Kunststoff-Leuchtdioden

Polymer-Leuchtdioden (PLEDs) sind attraktiv für den Einsatz in großflächigen Displays und Lichtpanelen, aber ihre begrenzte Stabilität verhindert die Kommerzialisierung. Wissenschaftler aus dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPIP) in Mainz haben jetzt die Ursachen der Instabilität aufgedeckt.

Bildschirme und Smartphones, die gerollt und hochgeklappt werden können, sind Anwendungen, die in Zukunft durch die Entwicklung von polymerbasierten...

Im Focus: Writing and deleting magnets with lasers

Study published in the journal ACS Applied Materials & Interfaces is the outcome of an international effort that included teams from Dresden and Berlin in Germany, and the US.

Scientists at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) together with colleagues from the Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) and the University of Virginia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungen

124. Internistenkongress in Mannheim: Internisten rücken Altersmedizin in den Fokus

19.04.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Juni 2018

17.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Grösster Elektrolaster der Welt nimmt Arbeit auf

20.04.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Bilder magnetischer Strukturen auf der Nano-Skala

20.04.2018 | Physik Astronomie

Kieler Forschende entschlüsseln neuen Baustein in der Entwicklung des globalen Klimas

20.04.2018 | Geowissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics