Lichtimpulse mit wenigen optischen Zyklen durchbrechen die 300 W-Barriere

Extrem kurze Lichtimpulse mit nur wenigen Schwingungen des elektromagnetischen Feldes gehören zu den schnellsten Ereignissen, die die Menschheit je erzeugt hat. Obwohl die ersten Lichtimpulse mit wenigen optischen Zyklen vor etwa 30 Jahren produziert wurden, konnten sie nur in der Spitzenforschung eingesetzt werden, z.B. für zeitaufgelöste Studien oder die Erzeugung von Attosekundenpulsen.

Um den Weg in industrielle Anwendungen zu finden, müssen eine Reihe großer Herausforderungen angegangen werden, wie z.B. der vollautomatische Betrieb sowie die Energie- und Leistungshochskalierung der Quellen.

Die Wissenschaftler von MBI, LLG und AFS folgten einem neuartigen Ansatz, indem sie 300 fs lange Impulse von einem hochenergetischen Hochleistungslasersystem direkt auf die Dauer von wenigen Zyklen komprimierten.

Dies erfordert eine 30-fache Kompression, die erst seit kurzem durch die Einführung der gestreckten, flexiblen Hohlfasertechnologie möglich ist, die eine praktisch uneingeschränkte Längenskalierbarkeit bietet. In der Studie wurde ein kohärent kombinierter Mehrkanal-Faserlaser mit bis zu 10 mJ Impulsen bei bis zu 1 kW Durchschnittsleistung als Lichtquelle verwendet.

Dieses System wird derzeit bei AFS für die große europäische Laseranlage ELI ALPS in Szeged, Ungarn, entwickelt. Bei der Pulskompression wurde eine 6 Meter lange, gestreckte, flexible Hohlfaser verwendet, die von MBI und LLG gemeinsam entwickelt wurde.

Während sich die Impulse durch in den Hohlwellenleiter eingefülltes Argongas ausbreiten, findet eine nichtlineare Wechselwirkung zwischen dem intensiven Licht und den Gasatomen statt, die das Spektrum verbreitert.

Die Impulse mit einem wesentlich verbreiterten Spektrum können dann auf eine kürzere Dauer komprimiert werden, indem ihre spektrale Phase mit einem Satz von gechirpten Spiegeln kompensiert wird.

Auf diese Weise gelang es dem Team, multi-mJ-, 10 fs-Pulse mit 100 kHz Wiederholrate bei einer durchschnittlichen Leistung von 318 W zu erzeugen, was die höchste jemals erreichte Durchschnittsleistung eines Lasers mit wenigen Zyklen ist.

Diese Leistung zeigt, dass mit Hilfe der gestreckten flexiblen Hohlfasertechnologie Hochleistungslaser in Industriequalität in das wenig-Zyklus-Regime gebracht werden können. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für industrielle Anwendungen, wie z.B. die hochparallelisierte Materialbearbeitung.

Bildunterschrift:
Vollständige Charakterisierung der 10 fs-NIR-Impulse durch eine Dispersions-Scan-Messung. Dabei wird zunächst die spektrale Phase der Impulse variiert (Chirpen), indem Glas mit allmählich zunehmender Dicke in den Strahl eingebracht wird. Dann wird in einem dünnen nichtlinearen Kristall die zweite Harmonische der gechirpten Impulse erzeugt und ihr Spektrum als Funktion verschiedener Glasdicken aufgezeichnet. Auf diese Weise wird eine zweidimensionale Kurve aufgezeichnet (dargestellt im oberen linken Fenster), aus der die fehlenden Phaseninformationen mit Hilfe eines iterativen numerischen Algorithmus extrahiert werden können. Die durch den Phasenabrufalgorithmus simulierte Kurve wird im oberen rechten Feld dargestellt und weist eine gute Ähnlichkeit mit der gemessenen Kurve auf. Das gemessene Spektrum des Impulses zusammen mit der rekonstruierten Phase wird im unteren linken Feld angezeigt, während ihre Fourier-Transformation, die die Pulsform (rote Kurve) ergibt, unten rechts angezeigt wird. Die schwarze Kurve in diesem Feld entspricht dem kürzestmöglichen Impuls für das gemessene Spektrum.

Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI)
Dr. Tamás Nagy
E-Mail tamas.nagy@mbi-berlin.de
Tel. 030 6392-1270

Generation of three-cycle multi-millijoule laser pulses at 318 W average power
T. Nagy, S. Hädrich, P. Simon, A. Blumenstein, N. Walther, R. Klas, J. Buldt, H. Stark, S. Breitkopf, P. Jójárt, I. Seres, Z. Várallyay, T. Eidam, J. Limpert
Optica 6 (2019) 1423-1424, https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-6-11-1423