Lasertrick liefert energiereiche Terahertz-Blitze

Das Team um Andreas Maier und Franz Kärtner vom Hamburger Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) präsentiert seine Ergebnisse im Fachblatt „Nature Communications“. CFEL ist eine gemeinsame Einrichtung von DESY, Universität Hamburg und der Max-Planck-Gesellschaft.

Die Erzeugung energiereicher Terahertz-Pulse ist auch ein wichtiger Schritt für das vom Europäischen Forschungsrat ERC geförderte Projekt AXSIS (frontiers in Attosecond X-ray Science: Imaging and Spectroscopy) am CFEL, das mit kompakten Terahertz-Teilchenbeschleunigern ganz neue Anwendungen ermöglichen will.

Der Terahertz-Bereich der elektromagnetischen Strahlung liegt zwischen Infrarotlicht und Mikrowellen. Flugreisenden ist Terahertz-Strahlung oft aus den Ganzkörperscannern an der Sicherheitskontrolle bekannt, mit denen sich nach versteckten Gegenständen unter der Kleidung suchen lässt.

Strahlung in diesem Wellenlängenbereich eignet sich jedoch auch für den Bau kompakter Teilchenbeschleuniger. „Die Wellenlänge von Terahertz-Strahlung ist rund tausendmal kürzer als die heute zur Beschleunigung verwendeten Radiowellen“, sagt Kärtner, der Leitender Wissenschaftler bei DESY ist. „Daher lassen sich auch die Beschleunigerkomponenten rund tausendmal kleiner bauen.“

Um eine nennenswerte Zahl von Teilchen auf Trab zu bringen sind starke Terahertz-Pulse mit möglichst scharf definierter Wellenlänge nötig. Genau die hat das Team nun produziert. „Um Terahertz-Pulse zu generieren, schießen wir zwei starke Laserblitze zeitlich minimal versetzt in einen sogenannten nichtlinearen Kristall“, erläutert Maier von der Universität Hamburg.

Die beiden Laserblitze haben eine Art Farbverlauf, das heißt, sie haben vorne eine andere Farbe als hinten. Durch den leichten zeitlichen Versatz besteht zwischen den Pulsen eine leichte Farbdifferenz. „Diese Differenz liegt genau im Terahertz-Bereich“, sagt Maier. „Der Kristall wandelt die Farbdifferenz in einen Terahertz-Puls um.“

Die beiden Laserblitze müssen für diese Methode exakt zeitlich synchronisiert sein. Das erreichen die Forscherinnen und Forscher, indem sie einen Laserblitz in zwei Teile aufspalten, dann einen der beiden Pulse über einen kurzen Umweg schicken, so dass er leicht verzögert ist, und schließlich beide Pulse wieder überlagern.

Allerdings ist der Farbverlauf der Pulse nicht einfach konstant, die Farbe ändert sich also nicht gleichmäßig entlang des Pulsprofils. Stattdessen ist der Farbwechsel zunächst gering und wird dann immer stärker, hat also kein gerades, sondern ein gebogenes Farbprofil. Die beiden leicht versetzt fliegenden Pulse haben dadurch keine konstante Farbdifferenz. Nur in einem schmalen Abschnitt stimmt deshalb die Differenz für die Erzeugung von Terahertz-Strahlung.

„Das war eine große Hürde für die Erzeugung energiereicherer Terahertz-Pulse“, berichtet Maier. „Denn den Farbverlauf der Pulse zu begradigen, was die naheliegende Lösung gewesen wäre, ist technisch nicht einfach umsetzbar.“ Den entscheidenden Einfall hatte dann Ko-Autor Nicholas Matlis: Er schlug vor, das Farbprofil nur eines der beiden Teilpulse zeitlich leicht zu strecken. Dadurch ändert sich zwar immer noch die Stärke des Farbverlaufs entlang des Pulses, die Farbdifferenz zum anderen Teilpuls verbessert sich jedoch und bleibt über einen weiten Bereich konstant.

„Die erforderlichen Änderungen an einem der Pulse sind minimal und verblüffend einfach umzusetzen: Es war ausreichend, ein kurzes Stück Spezialglas in den Strahlengang einzusetzen“, berichtet Maier. „Auf einmal war das Terahertz-Signal um den Faktor 13 stärker.“ Zusätzlich haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen besonders großen nichtlinearen Kristall zur Erzeugung der Terahertz-Strahlung verwendet, eine Spezialanfertigung des japanischen Instituts für Molekularwissenschaften in Okazaki. Je größer der Kristall, desto energiereichere Terahertz-Pulse lassen sich erzeugen.

„In der Kombination dieser beiden Maßnahmen haben wir eine Terahertz-Pulsenergie von 0,6 Millijoule erreicht, das ist Rekord für diese Technik und über zehnmal stärker als alle zuvor auf optischem Weg generierten Terahertz-Pulse mit scharf definierter Wellenlänge“, berichtet Kärtner. „Unsere Arbeit zeigt, dass es möglich ist, ausreichend starke Terahertz-Pulse mit scharf definierter Wellenlänge für den Betrieb kompakter Teilchenbeschleuniger zu erzeugen.“

DESY zählt zu den weltweit führenden Teilchenbeschleuniger-Zentren und erforscht die Struktur und Funktion von Materie – vom Wechselspiel kleinster Elementarteilchen, dem Verhalten neuartiger Nanowerkstoffe und lebenswichtiger Biomoleküle bis hin zu den großen Rätseln des Universums. Die Teilchenbeschleuniger und die Nachweisinstrumente, die DESY an seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen entwickelt und baut, sind einzigartige Werkzeuge für die Forschung: Sie erzeugen das stärkste Röntgenlicht der Welt, bringen Teilchen auf Rekordenergien und öffnen neue Fenster ins Universum. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands, und wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert.

Dr. Andreas R. Maier
Universität Hamburg
+49 40 8998-6687
andreas.maier@desy.de

Prof. Franz X. Kärtner
DESY
+49 40 8998-6350
franz.kaertner@desy.de

Spectral Phase Control of Interfering Chirped Pulses for High-Energy Narrowband Terahertz Generation; Spencer W. Jolly, Nicholas H. Matlis, Frederike Ahr, Vincent Leroux, Timo Eichner, Anne-Laure Calendron, Hideki Ishizuki, Takunori Taira, Franz X. Kärtner, and Andreas R. Maier; „Nature Communications“, 2019; DOI: https://dx.doi.org/10.1038/s41467-019-10657-4