Liebling, wir haben den intensiven XUV-Laser geschrumpft

Fig. 1: Compact intense XUV source. An NIR pulse (red) is focused, and high harmonics are generated in a gas jet that is placed before or behind the NIR focus. In this way, the generated XUV light has a size and a divergence that is similar to the that of the NIR beam. Due to the shorter wavelength, the focus of the XUV beam is then much smaller than the focus of the NIR beam. This allows the generation of intense XUV pulses which are used for XUV multi-photon ionization of atoms (see upper part). Image credit: Balázs Major.

Ein internationales Team von Wissenschaftler*innen hat ein neues Konzept für die Erzeugung von intensiver extrem-ultravioletter (XUV) Strahlung basierend auf Höherer Harmonischen Generation (HHG) demonstriert. Der Vorteil liegt darin, dass sein Fußabdruck viel kleiner als bei bisher genutzten intensiven XUV-Lasern ist. Das neue Schema ist einfach und könnte in vielen Laboren auf der ganzen Welt umgesetzt werden, was dem Feld der ultraschnellen XUV-Wissenschaft einen Auftrieb verleihen könnte. Die detaillierten experimentellen und theoretischen Ergebnisse wurden in Optica publiziert.

Die Erfindung des Lasers hat die Ära der nichtlinearen Optik begründet, die heute eine wichtige Rolle in vielen wissenschaftlichen, industriellen und medizinischen Anwendungen spielt. All diese Anwendungen profitieren von der Verfügbarkeit von kompakten Laserquellen im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Bei XUV-Wellenlängen ist die Situation eine völlig andere: Hier wurden sehr große Einrichtungen (so genannte Freie-Elektronen Laser) gebaut, um intensive XUV-Laserpulse zu erzeugen. Ein Beispiel ist FLASH in Hamburg, das sich über mehrere hundert Meter erstreckt. Es wurden auch kleinere intensive XUV-Quellen basierend auf der HHG entwickelt. Allerdings erstrecken sich diese Quellen immer noch über mindestens zehn Meter, und sie wurden bisher nur an sehr wenigen Universitäten und Forschungseinrichtungen weltweit demonstriert.

Ein Team von Wissenschaftlern vom Max-Born-Institut (Berlin), ELI-ALPS (Szeged, Ungarn) und INCDTIM (Cluj-Napoca, Rumänien) hat kürzlich ein neues Schema für die Erzeugung von intensiven XUV-Pulsen entwickelt. Ihr Konzept basiert auf HHG, wobei ein Laserpuls im Nah-Infraroten (NIR) Spektralbereich in ein gasförmiges Medium fokussiert wird. Dabei werden sehr kurze Lichtblitze erzeugt mit Frequenzen, die Harmonischen der NIR-Laserpulse entsprechen. Typischerweise können diese Lichtblitze dem XUV-Bereich zugeordnet werden. Um intensive XUV-Pulse erzeugen zu können, ist es wichtig, so viel XUV-Licht wie möglich zu erzeugen. Dies wird typischerweise dadurch erreicht, dass ein sehr großer Fokus des NIR-Lasers erzeugt wird, was letztlich ein sehr großes Labor erfordert.

Forschern vom Max-Born-Institut ist es nun gelungen, einen intensiven XUV-Laser zu schrumpfen, sodass der gesamte Aufbau sich nur noch über zwei Meter erstreckt. Um dies zu erreichen, haben sie den folgenden Trick angewandt: Anstatt das XUV-Licht in der Nähe des Fokus des NIR-Lasers zu erzeugen, haben sie einen sehr dichten Jet von Atomen relativ weit weg vom NIR-Fokus platziert, wie in Abbildung 1 zu sehen ist. Dies hat zwei wichtige Vorteile: (1) Da der NIR-Strahl an der Stelle des Jets recht groß ist, werden viele XUV-Photonen erzeugt. (2) Da außerdem auch der erzeugte XUV-Strahl recht groß ist und eine große Divergenz aufweist, kann er zu einer sehr kleinen Strahlgröße fokussiert werden. Die hohe Zahl von XUV-Photonen in Kombination mit der kleinen XUV-Fokusgröße ermöglicht die Erzeugung intensiver XUV-Laserpulse. Diese Ergebnisse wurden durch Computer-Simulationen bestätigt, die von einem Wissenschaftler-Team von ELI-ALPS und INCDTIM durchgeführt wurden.

Um zu demonstrieren, dass die erzeugten XUV-Pulse tatsächlich sehr intensiv sind, haben die Forscher die Multi-Photonen Ionisation von Argon Atomen untersucht. Sie waren in der Lage, diesen Atomen mehrere Elektronen zu entreißen, was zu beobachteten Ladungszuständen von Ar²⁺ und Ar³⁺ geführt hat. Dies erfordert die Absorption von zwei bzw. vier XUV-Photonen. Trotz der kleinen Größe der neuartigen XUV-Lichtquelle ist die erzeugte XUV-Intensität von 2 x 10¹⁴ W/cm² höher als in vielen existierenden intensiven XUV-Lichtquellen.

Das neue Konzept kann in vielen Laboren auf der ganzen Welt umgesetzt werden, und verschiedene Wissenschafts-Disziplinen könnten davon profitieren. Dies beinhaltet z.B. Attosekunden-Pump Attosekunden-Probe Spektroskopie, die bisher nur sehr schwierig umzusetzen war. Der neue kompakte intensive XUV-Laser könnte die Stabilitäts-Probleme, die mit dieser Technik einhergehen, überwinden helfen, um damit die Dynamiken von Elektronen auf extrem kurzen Zeitskalen beobachten zu können. Ein weiteres Feld, das profitieren könnte, ist die Abbildung von Nanometer-großen Objekten wie z.B. Bio-Molekülen. Dies könnte die Möglichkeiten erweitern, um Filme im Nano-Kosmos auf Femtosekunden- oder sogar Attosekunden-Zeitzskalen zu drehen.

Bildunterschrift Abb. 1:
Kompakte intensive XUV-Quelle. Ein NIR-Puls (rot) wird fokussiert, und Höhere Harmonische werden in einem Jet von Atomen erzeugt, der sich vor oder hinter dem NIR-Fokus befindet. Auf diese Weise hat der erzeugte XUV-Strahl eine Größe und Divergenz, die der Größe und der Divergenz des NIR-Strahls ähneln. Aufgrund der kürzeren Wellenlänge ist der Fokus des XUV-Strahls jedoch viel kleiner als der Fokus des NIR-Strahls. Dies ermöglicht die Erzeugung von intensiven XUV-Pulsen die z.B. für die Multiphotonen-Ionisation von Atomen genutzt werden können (oberer Teil). Graph: Balázs Major.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Bernd Schütte, Max-Born-Institut, Bernd.Schuette@mbi-berlin.de, Tel. +49 30 6392 1295

Dr Balázs Major, ELI-ALPS, Balazs.Major@eli-alps.hu, Tel. +36 30 737 5377

Originalpublikation:

Compact intense extreme-ultraviolet source
B. Major, O. Ghafur, K. Kovács, K. Varjú, V. Tosa, M. J. J. Vrakking and B. Schütte
Optica 8 (2021) 960-965 (Open Access)
https://doi.org/10.1364/OPTICA.421564

Weitere Informationen:

https://mbi-berlin.de/de/forschung/highlights/details/honey-we-shrunk-the-intens…

Media Contact

Dr. Alexander Grimm Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie im Forschungsverbund Berlin e.V.

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