Laserpuls wird ganz von selbst kürzer und intensiver

Bei einem Marathonlauf startet jeder ungefähr zur selben Zeit ungefähr am selben Ort. Doch wer schneller läuft wird sich im Lauf der Zeit vom Rest absetzen und am Ende gibt es eine sehr breite Verteilung von Läufern auf einem langen Abschnitt der Straße.

Etwas Ähnliches passiert, wenn man einen Lichtpuls durch ein Medium schickt. Der Puls ist eine Kombination aus unterschiedlichen Farben (bzw. unterschiedlichen Wellenlängen), und wenn sie durch ein Medium wie Glas geschickt werden, bewegen sie sich mit geringfügig unterschiedlichen Geschwindigkeiten fort. Das führt zu einem Dispersions-Effekt: Der Puls wird immer länger.

Doch es gibt Möglichkeiten, diesen Effekt umzukehren: Man kann ein optisches Medium auch nutzen, um den Puls kürzer zu machen. Ein Forschungsteam der TU Wien hat nun einen Weg gefunden, aus einem sehr intensiven Laserpuls mit einer Dauer von 80 Femtosekunden einen Puls von bloß 4.5 Femtosekunden zu machen – einfach indem man ihn durch eine speziell konstruierte hohle Faser schickt. Diese Technologie ist kompakter, einfacher und billiger als die Verfahren, die man dafür bisher verwendet hat. Publiziert wurde die neue Methode nun im Journal „Nature Communications“.

Hohle Faser, gefüllt mit Gas

Der Infrarot-Laserpuls wird durch eine hohle Faser geschickt, die mit Gas gefüllt ist. „Die nichtlineare Wechselwirkung zwischen dem Licht und den Gasatomen bewirkt, dass unterschiedliche Wellenlängen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit unterwegs sind“, sagt Tadas Balciunas von der TU Wien.

Die Komponenten mit größerer Wellenlänge sind schneller als die kurzen Wellenlängen. Innerhalb der Glasfaser allerdings befindet sich eine komplexe Nanostruktur, die kurze Wellenlängen schneller vorankommen lässt als längere.

„Die Kombination dieser beiden einander widersprechenden Effekte führt dazu, dass der Laserpuls komprimiert wird“, sagt Tadas Balciunas. Es ist als würde man eine lange Reihe von Marathonläufern starten lassen, und am Ende kommen sie alle gleichzeitig am Ziel an. Der resultierende Lichtpuls ist nicht nur kurz, sondern auch extrem intensiv: Er erreicht eine Leistung von einem Gigawatt.

Die Nanostruktur in der Faser heißt „Kagome“ – ein japanisches Wort für ein Korbgeflecht. Diese spezielle Struktur, die eine ungestörte Transmission der extrem kurzen Pulse erlaubt, wurde von der Forschungsgruppe von Frederic Gerome in Limoges (Frankreich) entwickelt und hergestellt.

Seit Jahren werden extrem kurze Laserpulse verwendet, um den Geheimnissen der Quanten-Welt auf die Spur zu kommen. Sie können Elektronen aus ihren Atomen herausreißen, Elektronen beschleunigen oder die Dynamik chemischer Reaktionen abbilden. Bis heute benötigte man aber sehr komplizierte Versuchsaufbauten um solche Femtosekunden-Laser zu erzeugen.

„Normalerweise müssen die unterschiedlichen Wellenlängen des Pulses mit einem aufwändigen Spiegelsystem manipuliert werden, um den Puls zu komprimieren“, sagt Tadas Balciunas. „Unser einfaches Tischgerät soll es nun Forschungslabors auf der ganzen Welt viel einfacher und billiger machen, Femtosekunden-Infrarotpulse herzustellen.“

Neues Werkzeug für neue Forschung

In der neuen Publikation konnte das Team bereits zeigen, dass der Laserpuls für höchst komplexe Experimente bestens geeignet ist: Er wurde auf ein Xenon-Gas-Target abgefeuert, sodass die Xenon-Atome ionisiert wurden. Abhängig von der genauen Form des Pulses können die Elektronen, die den Xenon-Atomen entrissen werden, in unterschiedliche Richtungen geschickt werden. „Es ist ein ultraschneller Elektronen-Schalter“, erklärt Tadas Balciunas.

Das Photonik-Team der TU Wien plant, diese Technologie für viele weitere Experimente zu nutzen und geht davon aus, dass auch viele andere Forschungsgruppen die neue Idee aufgreifen werden. „Ein Femtosekunden-Lasersystem, das billig, klein und einfach zu benutzen ist, könnte der ultraschnellen Laserforschung einen Auftrieb geben“, sagt Tadas Balciunas.

Rückfragehinweis:
Dr. Tadas Balciunas
Institut für Photonik
Technische Universität Wien
Gusshausstraße 25-29, 1040 Wien
+43-1-58801-38777
tadas.balciunas@tuwien.ac.at

http://www.tuwien.ac.at/dle/pr/aktuelles/downloads/2015/kagome/ weitere Bilder