Wie aus sichtbaren Laserstrahlen Röntgenstrahlung wird

Sei es die Zielankunft eines Formel-1-Rennens oder der Flügelschlag eines Kolibris – um schnelle Bewegungen auf ein Foto zu bannen, braucht es sehr kurze Belichtungszeiten. Das gilt nicht nur für die Fotografie sondern auch für wissenschaftliche Untersuchungsmethoden etwa die zeitaufgelöste Laserspektroskopie.

„Mit ultrakurzen Laserpulsen lassen sich extrem schnelle Phänomene, etwa Schwingungen innerhalb von Molekülen und Atomen darstellen“, weiß Prof. Dr. Christian Spielmann von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. „Da es sich um sehr kleine Materiestrukturen handelt, müssen die Laserpulse zudem sehr kurzwellig sein“, so der Inhaber des Lehrstuhls für Quantenelektronik.

Für die Untersuchung hochgeladener Ionen beispielsweise, mit denen sich der Physiker der Jenaer Uni gemeinsam mit Kollegen der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt beschäftigt, ist Laserlicht aus dem Bereich der Röntgenstrahlung nötig. „Bisher ließ sich Laserlicht im Bereich der Röntgenstrahlung allerdings nur schwer mit für spektroskopische Untersuchungen ausreichender Intensität erzeugen“, so Prof. Spielmann. Außerdem sei das Spektrum verfügbarer Röntgenlaser auf wenige Wellenlängen beschränkt. Der Physiker und sein Team von der Uni Jena haben jetzt gemeinsam mit Kollegen der GSI Darmstadt eine Methode entwickelt, wie sich Röntgenstrahlung soweit verstärken lässt, dass sie in einem kohärenten Strahl – ähnlich einem Laser – emittiert wird. Das renommierte Wissenschaftsjournal „Nature Physics“ hat die Forschungsergebnisse soeben auf seiner Website veröffentlicht (http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys1638.html), bevor sie auch in einer der nächsten Printausgaben des Magazins erscheinen werden.

Ausgangspunkt für die Erzeugung intensiver Röntgenstrahlung ist Laserlicht aus dem sichtbaren Spektrum. „Dieses fokussieren wir in einem Strahl aus Argon-Gas, wobei sogenannte ,hohe harmonische Strahlung' entsteht und die sichtbare Laserstrahlung in den Röntgenbereich verschoben wird“, erläutert Dr. Jozsef Seres, Forscher in Prof. Spielmanns Team, ein bereits länger bekanntes Phänomen. Allerdings galt der Umwandlungsgrad von sichtbarem Laserlicht in Röntgenstrahlung bisher als gering.

In ihren Experimenten haben Prof. Spielmann und seine Kollegen nun den Gasdruck des Argonstrahls sukzessive erhöht und den Umwandlungsgrad des Laserlichts in Röntgenstrahlung gemessen. Wie erwartet, stieg die Intensität der Röntgenstrahlung mit dem wachsenden Gasdruck an. In einzelnen Spektralbereichen haben die Physiker aber ein viel stärkeres Anwachsen beobachtet, als theoretisch zu erwarten war. „Diese Zunahme deutet auf eine sogenannte ,parametrische' Verstärkung hin“, so der Jenaer Laserexperte Spielmann.

Um ihre Experimente erklären zu können, haben die Autoren ein theoretisches Modell entwickelt, dass beschreibt, unter welchen Umständen Röntgenstrahlung parametrisch verstärkt werden kann: Ein Laser wird in einen Gasstrahl fokussiert und erzeugt zum einen die „hohe harmonische“ Strahlung. „Gleichzeitig präpariert der Laserstrahl aber auch die Gasatome in einer Weise, dass sie in der Lage sind, einfallendes Licht zu verstärken, ähnlich wie in einem Laser“, so Seres. Damit sei es möglich, intensives Röntgenlicht in einem weiten Spektralbereich zu erzeugen. Mit ihrer nun veröffentlichten Methode, so die Jenaer Physiker, wird es in Zukunft möglich sein, eine neue Klasse von Röntgenquellen zu entwickeln, die energetische Röntgenpulse in einem weiten Spektralbereich und in einem kohärenten Strahl emittieren.

Originalpublikation:
Seres J., Seres E., Hochhaus D., Ecker B., Zimmer D., Begnoud V., Kuehl T., Spielmann C.: Laser-driven amplification of soft X-rays by parametric stimulated emission in neutral gases. Nature Physics, Published online: 18 April 2010, doi:10.1038/nphys1638
Kontakt:
Prof. Dr. Christian Spielmann
Institut für Optik und Quantenelektronik der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Max-Wien-Platz 1
07743 Jena
Tel.: 03641 / 947230
E-Mail: christian.spielmann[at]uni-jena.de