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 Verlustfreie Stromleitung an den Kanten
25.05.2020 | Universität Basel

nachricht Sie werden so schnell groß: Massereiche Scheibengalaxien entstanden außergewöhnlich früh in der kosmischen Geschichte
20.05.2020 | Max-Planck-Institut für Astronomie

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: Innovative Sensornetze aus Satelliten

In Würzburg werden vier Kleinst-Satelliten auf ihren Start vorbereitet. Sie sollen sich in einer Formation bewegen und weltweit erstmals ihre dreidimensionale Anordnung im Orbit selbstständig kontrollieren.

Wenn ein Gegenstand wie der Planet Erde komplett ohne tote Winkel erfasst werden soll, muss man ihn aus verschiedenen Richtungen ansehen und die...

Im Focus: New double-contrast technique picks up small tumors on MRI

Early detection of tumors is extremely important in treating cancer. A new technique developed by researchers at the University of California, Davis offers a significant advance in using magnetic resonance imaging to pick out even very small tumors from normal tissue. The work is published May 25 in the journal Nature Nanotechnology.

researchers at the University of California, Davis offers a significant advance in using magnetic resonance imaging to pick out even very small tumors from...

Im Focus: I-call – Wenn Mikroimplantate miteinander kommunizieren / Innovationstreiber Digitalisierung - »Smart Health«

Die Mikroelektronik als Schlüsseltechnologie ermöglicht zahlreiche Innovationen im Bereich der intelligenten Medizintechnik. Das vom Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT koordinierte BMBF-Verbundprojekt »I-call« realisiert erstmals ein Elektroniksystem zur ultraschallbasierten, sicheren und störresistenten Datenübertragung zwischen Implantaten im menschlichen Körper.

Wenn mikroelektronische Systeme für medizintechnische Anwendungen eingesetzt werden, müssen sie hohe Anforderungen hinsichtlich Biokompatibilität,...

Im Focus: I-call - When microimplants communicate with each other / Innovation driver digitization - "Smart Health“

Microelectronics as a key technology enables numerous innovations in the field of intelligent medical technology. The Fraunhofer Institute for Biomedical Engineering IBMT coordinates the BMBF cooperative project "I-call" realizing the first electronic system for ultrasound-based, safe and interference-resistant data transmission between implants in the human body.

When microelectronic systems are used for medical applications, they have to meet high requirements in terms of biocompatibility, reliability, energy...

Im Focus: Wenn aus theoretischer Chemie Praxis wird

Thomas Heine, Professor für Theoretische Chemie an der TU Dresden, hat 2019 zusammen mit seinem Team topologische 2D-Polymere vorhergesagt. Nur ein Jahr später konnten diese Materialien von einem italienischen Forscherteam synthetisiert und deren topologische Eigenschaften experimentell nachgewiesen werden. Für die renommierte Fachzeitschrift Nature Materials war das Anlass, Thomas Heine zu einem News and Views Artikel einzuladen, der in dieser Woche veröffentlicht wurde. Unter dem Titel "Making 2D Topological Polymers a reality" beschreibt Prof. Heine, wie aus seiner Theorie Praxis wurde.

Ultradünne Materialien sind als Bausteine für nanoelektronische Bauelemente der nächsten Generation äußerst interessant, da es viel einfacher ist, Schaltungen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Gebäudewärme mit "grünem" Wasserstoff oder "grünem" Strom?

26.05.2020 | Veranstaltungen

Dresden Nexus Conference 2020 - Gleicher Termin, virtuelles Format, Anmeldung geöffnet

19.05.2020 | Veranstaltungen

Urban Transport Conference 2020 in digitaler Form

18.05.2020 | Veranstaltungen

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

Klare Sicht – Projekt zur sichereren Laserbehandlung von Floatern gestartet

26.05.2020 | Medizin Gesundheit

Blutgefässe einfacher und präziser sichtbar machen

26.05.2020 | Biowissenschaften Chemie

Max-Planck-Forscher entwickeln "ultimativen Zellsortierer"

26.05.2020 | Biowissenschaften Chemie

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