Attosekundenpulse sind unverzichtbare Werkzeuge für zeitaufgelöste Untersuchungen der Elektronendynamik auf ihrer natürlichen Zeitskala (1 Attosekunde = 10-18 Sekunden). Zu diesen Studien gehören Koinzidenzspektroskopie und Experimente mit hohen Anforderungen an Statistik oder Signal-Rausch-Verhältnis, insbesondere bei festen und molekularen Proben in Chemie und Biologie, die alle ein exponentiell wachsendes Interesse haben. Für diese hochaktuellen Forschungsthemen müssen Wissenschaftler die Anzahl der Attosekundenpulse in einer bestimmten Zeiteinheit erhöhen, was nur durch eine Erhöhung der Wiederholrate der Attosekundenquelle erreicht werden kann. Dazu ist eine Laserquelle mit hoher mittlerer Leistung und hoher Repetitionsrate notwendig. Die hohe Durchschnittsleistung der treibenden Laserquelle stellt jedoch im Vergleich zu herkömmlichen Attosekunden-Beamlines mit Treibern niedrigerer Leistung eine Schwierigkeit dar: Es ist nicht einfach, die Attosekundenpulse nach der Erzeugung vom Laserstrahl mit hoher Durchschnittsleistung zu trennen. Um dieses Problem zu lösen, formten Wissenschaftler der Extreme Light Infrastructure Attosekunden-Pulslichtquelle (ELI ALPS) den Laserstrahl zu einer ringförmigen Form: Durch die Kombination dieses Ansatzes mit der richtigen experimentellen Konfiguration erreichten sie die höchste Attosekunden-Pulszugenergie pro erzeugtem Schuss durch ein System mit einer Wiederholrate über 10 kHz.
Diese Ergebnisse wurden unter Verwendung einer der HR-GHHG-Beamlines von ELI ALPS von Dr. Peng Ye und seinen Kollegen in einem von Dr. Balázs Major und Prof. Katalin Varjú betreuten Projekt erzielt. Während die Idee, Harmonische höherer Ordnung mit einem ringförmigen Strahl zu erzeugen, 1994 von J. Peatross vorgeschlagen und seitdem von Y. Mairesse 2003 zur Erzeugung von Attosekundenpulsen mit Niedrigleistungslasern verwendet wurde, hatte die Skalierung dieses Konzepts auf einen hohen Durchschnitt mehrere Hindernisse das musste überwunden werden, um erfolgreich zu sein. Die Hauptschwierigkeit ergibt sich aus der Tatsache, dass bei Verwendung eines Lasers mit hoher Durchschnittsleistung die Ausbreitung des Laserimpulses durch den freien Raum und das ionisierte Erzeugungsmedium sorgfältig und richtig berücksichtigt werden sollte. Die Wissenschaftler von ELI ALPS passten diesen Ansatz an Systeme mit hoher Durchschnittsleistung an und erzielten als Ergebnis die bisher höchste Übertragung von Attosekundenimpulsen vom Erzeugungspunkt zur Zielposition.
Das Verfahren beruht auf dem starken Feldeffekt, der mit dem Prozess der Erzeugung hoher Harmonischer verbunden ist. Der fokussierte, ringförmige Laserstrahl breitet sich zu einem Gauß-ähnlichen festen Fleck aus, um im Fokus Attosekundenpulse zu erzeugen, und breitet sich danach weiter zu einem perfekten ringförmigen Strahl aus. Aufgrund des starken elektrischen Feldes des Laserpulses treten bei dieser Licht-Materie-Wechselwirkung stark nichtlineare Effekte auf, und die Form des erzeugten Attosekundenstrahls unterscheidet sich von der Laserstrahlform: Auf diese Weise kann er räumlich vom antreibenden Laser getrennt werden . Die Wissenschaftler von ELI ALPS nutzten die freie Ausbreitung auch, um den Sondenstrahl ringförmig zu formen, sodass er mit geringen Verlusten mit den Attosekundenpulsen kombiniert werden kann. Infolgedessen können Pump-Probe-Experimente von den hohen Energien sowohl der Attosekundenpulse als auch des Sondenlaserstrahls profitieren.
Mit der erreichten 100-kHz-Hochenergie-Attosekunden-Pulszugquelle können nun viele Experimente, die sowohl eine hohe Wiederholrate als auch genügend Energie benötigen, in ELI ALPS durchgeführt werden.
Die Studie wurde veröffentlicht in Ultraschnelle Wissenschaft.
Peng Ye et al, 100-kHz-Attosekunden-Impulsquelle mit hohem Fluss, die von einem ringförmigen Laserstrahl mit hoher Durchschnittsleistung angetrieben wird, Ultraschnelle Wissenschaft (2022). DOI: 10.34133/2022/9823783
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