Durchbruchmethode erzeugt ultrakurze Hochleistungslaserimpulse

• Wissenschaftler erzeugen mithilfe eines optischen parametrischen Verstärkers Impulse, die kürzer als die Wellenperiode sind. 
• Damit lässt sich beobachten, wie sich Elektronen innerhalb von Atomen bewegen. 

In den letzten Jahren haben hochenergetische Impulse im mittleren Infrarotbereich mit wenigen Zyklen aufgrund ihrer zahlreichen Anwendungen, darunter 2D-Infrarotspektroskopie, Elektronenemission im Sub-Femtosekundenbereich, zeitaufgelöste Bildgebung von Verbindungen sowie die Erzeugung kohärenter weicher Röntgenstrahlung und inkohärenter harter Röntgenstrahlung, großes Interesse geweckt.

Kürzlich haben Wissenschaftler des Singapore Institute of Manufacturing Technology der A*STAR (Agentur für Wissenschaft, Technologie und Forschung) einen Lasersynthesizer gebaut, der Infrarotimpulse erzeugt, die kürzer als die Wellenperiode sind.

Dies könnte es Forschern ermöglichen, die Bewegungen von Elektronen innerhalb von Atomen zu untersuchen. Da die Wellenlängen dieser ultrakurzen Pulse im mittleren Infrarotbereich liegen, werden sie leicht von verschiedenen Atomen und Molekülen absorbiert.

Der neue Laser-Synthesizer

Innerhalb von Atomen bewegen sich Elektronen in Femtosekunden (10–15 Sekunden) oder sogar Attosekunden (10–18 Sekunden) von einem Energieband in ein anderes. Aufgrund dieser außergewöhnlichen Zeitskalen benötigen Wissenschaftler leistungsstarke, ultrakurze Laserpulse, um solche Ereignisse zu beobachten und zu analysieren.

Eine Möglichkeit, sie herzustellen, besteht darin, nichtlineare Kristalle sehr kurzen, extrem intensiven Infrarotimpulsen auszusetzen. Das Team implementierte jedoch nicht nur die traditionellen Methoden, sondern verbesserte auch die Art und Weise, kurze Impulse im mittleren Infrarotbereich zu erzeugen.

Um Impulse zu erzeugen, die kürzer als die Wellenperiode sind, ist eine große spektrale Bandbreite erforderlich. Frühere Studien kombinieren Vorteile mit mehreren spektralen Abdeckungen, um solch große Bandbreiten zu erreichen, was eine äußerst schwierige und komplexe Aufgabe ist. Sie müssen die relative Amplitude und Phase der einzelnen Pluspunkte mithilfe verschiedener Lärmschutzgeräte präzise steuern.

Um die Sache ziemlich einfach zu machen, verwendeten Wissenschaftler ein Gerät namens optischer parametrischer Verstärker – eine Lichtquelle, die zwei Laserimpulse variabler Wellenlänge aussendet. Die Phasen und Amplituden dieser beiden Impulse können relativ zueinander konfiguriert werden.

Referenz:Nature Communications | doi:10.1038/s41467-017-00193-4

Der von ihnen entwickelte Verstärker sendet Impulse mit einer sehr kurzen Zeitverzögerung aus, sodass sie zu einem Impuls mit großer Bandbreite verschmelzen, ohne dass ein zusätzliches Rauschkontrollsystem erforderlich ist. Es ist möglich, den endgültigen Impuls noch kürzer als die Wellenperiode zu machen, da destruktive Interferenz den Impuls an seinen Rändern schneidet, während konstruktive Interferenz in seiner Mitte auftritt.

Bildnachweis:Technische Universität Wien

Wenn diese ultrakurzen Pulse auf bestimmte feste Materialien gerichtet werden, lösen sie die Emission hochenergetischer Photonen in Regionen mit hohem Ultraviolett aus. Diese hochenergetischen Photonen können weiter genutzt werden, um die Prozesse im Inneren eines Atoms zu untersuchen, die auf einer Zeitskala von Attosekunden ablaufen.

In dieser Studie verwendeten Forscher Impulse im mittleren Infrarotbereich, um hochenergetische Photonen in dünnen Siliziumschichten zu erzeugen. Genauer gesagt demonstrierten sie einen Hochenergie-Pulssynthesizer im mittleren Infrarotbereich, der die Bandbreite von 2,5 bis 9,0 Mikrometer abdeckt, und trieben die Erzeugung hoher Harmonischer in dünnen Siliziumproben voran, um die isolierten Starkfeldwechselwirkungen in Festkörpern zu zeigen. Die synthetisierte Impulsbreite betrug etwa 12,4 Femtosekunden, was einem optischen Zyklus von 0,88 bei etwa 4,2 Mikrometern entspricht.

Was kommt als nächstes?

In der nächsten Arbeit wird das Team isolierte Elektronenpulse aus anderen Materialien erzeugen, die die Untersuchung noch schnellerer Prozesse innerhalb von Atomen ermöglichen würden.

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Darüber hinaus könnten Fortschritte bei Pumplasertechniken möglicherweise die Quelle des mittleren Infrarot-Subzyklus in Richtung Spitzenleistungen bringen, um Hochfeldwechselwirkungen in gasförmigen Medien anzutreiben.