Forscher entwickeln einen Laser, der die bislang stärksten ultrakurzen Laserpulse erzeugt

Beim Wort Laser denkt man meist an einen stark konzentrierten und kontinuierlichen Lichtstrahl. Laser, die solches Licht erzeugen, sind tatsächlich sehr verbreitet und nützlich. Allerdings benötigen Wissenschaft und Industrie oft auch sehr kurze und starke Laserlichtimpulse.

Mit diesen Impulsen lassen sich Materialien bearbeiten oder hohe harmonische Frequenzen bis hin zu Röntgenstrahlung erzeugen, die dazu beitragen können, extrem schnelle Prozesse im Attosekundenbereich (ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde) sichtbar zu machen.

Ein Forscherteam der ETH Zürich um Ursula Keller, Professorin am Institut für Quantenelektronik, hat nun einen neuen Rekord für solche Laserpulse aufgestellt: Mit 550 Watt mittlerer Leistung übertreffen sie das bisherige Maximum um mehr als 50 Prozent Sie erzeugen die stärksten Impulse, die jemals von einem Laseroszillator erzeugt wurden.

Gleichzeitig sind sie extrem kurz – sie dauern weniger als eine Pikosekunde, also ein Millionstel einer Millionstelsekunde – und verlassen den Laser in regelmäßiger Folge mit einer hohen Rate von fünf Millionen Impulsen pro Sekunde. Die kurzen Impulse erreichen Spitzenleistungen von 100 Megawatt (was theoretisch ausreichen würde, um 100.000 Staubsauger kurzzeitig anzutreiben).

Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher kürzlich in der Fachzeitschrift Optik.

Kellers Forschungsgruppe arbeitet seit 25 Jahren an der kontinuierlichen Verbesserung sogenannter kurzgepulster Scheibenlaser, bei denen das Lasermaterial aus einer nur 100 Mikrometer dicken dünnen Scheibe aus einem Kristall besteht, der Ytterbiumatome enthält.

Immer wieder stießen Keller und ihre Mitarbeiter auf neue Probleme, die einen weiteren Machtausbau zunächst verhinderten. Nicht selten kam es zu spektakulären Zwischenfällen, bei denen verschiedene Teile im Inneren des Lasers zerstört wurden. Die Lösung der Probleme führte zu neuen Erkenntnissen, die Kurzpulslaser, die auch in industriellen Anwendungen beliebt sind, zuverlässiger machten.

„Die Kombination aus noch höherer Leistung und Pulsraten von 5,5 Megahertz, die wir jetzt erreicht haben, basiert auf zwei Innovationen“, erklärt Moritz Seidel, promovierter Wissenschaftler. Student in Kellers Labor. Zum einen nutzten er und seine Kollegen eine spezielle Anordnung von Spiegeln, die das Licht im Inneren des Lasers mehrmals durch die Scheibe schicken, bevor es den Laser durch einen Auskoppelspiegel verlässt.

„Durch diese Anordnung können wir das Licht extrem verstärken, ohne dass der Laser instabil wird“, sagt Seidel.

Die zweite Neuerung betrifft das Herzstück des gepulsten Lasers: einen speziellen Spiegel aus Halbleitermaterial, der bereits vor dreißig Jahren von Keller erfunden wurde und auf die einprägsame Abkürzung SESAM (Semiconductor Saturable Absorber Mirror) hört. Im Gegensatz zu normalen Spiegeln hängt das Reflexionsvermögen eines SESAM von der Stärke des auftreffenden Lichts ab.

Impulse dank SESAM

Mithilfe des SESAM bringen die Forscher ihren Laser dazu, kurze Impulse statt eines kontinuierlichen Strahls auszusenden. Impulse haben eine höhere Intensität, da die Lichtenergie in einem kürzeren Zeitraum konzentriert wird. Damit ein Laser überhaupt Laserlicht aussendet, muss die Lichtintensität in seinem Inneren einen bestimmten Schwellenwert überschreiten.

Hier kommt der SESAM ins Spiel: Er reflektiert das Licht, das die Verstärkerscheibe bereits mehrfach durchlaufen hat, besonders effizient, wenn die Lichtintensität hoch ist. Dadurch geht der Laser automatisch in den Pulsmodus.

„Pulse mit vergleichbaren Leistungen wie wir sie bisher erreicht haben, konnten bisher nur dadurch erreicht werden, dass schwächere Laserpulse durch mehrere separate Verstärker außerhalb des Lasers geschickt wurden“, sagt Seidel.

Der Nachteil dabei ist, dass die Verstärkung auch zu mehr Rauschen führt, entsprechend Schwankungen in der Leistung, was insbesondere bei Präzisionsmessungen zu Problemen führt.

Um die hohe Leistung direkt mit dem Laseroszillator zu erzeugen, mussten die Forscher eine Reihe kniffliger technischer Probleme lösen – beispielsweise wie man auf der Halbleiterschicht des SESAM-Spiegels ein dünnes Saphirfenster anbringen kann, das die Eigenschaften des Spiegels deutlich verbessert .

„Als es dann endlich funktionierte und wir zusahen, wie der Laser Impulse erzeugte, war das wirklich cool“, sagt Seidel.

Alternative zu Verstärkern

Auch Ursula Keller ist von diesen Ergebnissen begeistert und sagt: „Wir … gehen davon aus, dass wir diese Pulse sehr effizient auf den Bereich von wenigen Zyklen verkürzen können, was für die Erzeugung von Attosekundenpulsen sehr wichtig ist.“

Laut Keller könnten die schnellen und starken Pulse, die der neue Laser ermöglicht, auch in neuen sogenannten Frequenzkämmen im Ultraviolett- bis Röntgenbereich Anwendung finden, was zu noch präziseren Uhren führen könnte.

„Ein Traum wäre es, eines Tages zu zeigen, dass die Naturkonstanten doch nicht konstant sind“, sagt Keller. Außerdem kann mit dem Laser Terahertz-Strahlung erzeugt werden, die eine viel größere Wellenlänge als sichtbares oder infrarotes Licht hat und dann beispielsweise zur Materialprüfung eingesetzt werden kann.

„Insgesamt kann man sagen, dass wir mit unseren Pulslasern gezeigt haben, dass Laseroszillatoren eine gute Alternative zu verstärkerbasierten Lasersystemen sind und neue und bessere Messungen ermöglichen“, sagt Keller.