Attosekunden-Bildgebung ermöglicht durch kurze und leistungsstarke Laserpulse

Extrem kurze Laserlichtimpulse mit einer Spitzenleistung von 6 Terawatt (6 Billionen Watt) – das entspricht in etwa der Leistung von 6.000 Kernkraftwerken – haben zwei RIKEN-Physiker realisiert. Diese Leistung wird dazu beitragen, Attosekundenlaser weiterzuentwickeln, für die drei Forscher im Jahr 2023 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurden. Die Arbeit ist veröffentlicht im Tagebuch Naturphotonik.

So wie ein Kamerablitz sich schnell bewegende Objekte „einfrieren“ kann, sodass sie auf Fotos so aussehen, als ob sie stillstehen würden, können extrem kurze Laserpulse dazu beitragen, ultraschnelle Prozesse zu beleuchten und Wissenschaftlern eine leistungsstarke Möglichkeit zu bieten, sie abzubilden und zu untersuchen .

Beispielsweise sind Laserpulse in der Größenordnung von Attosekunden (eine Attosekunde = 10–18 Sekunden) so kurz, dass sie die Bewegung von Elektronen in Atomen und Molekülen aufdecken können, was eine neue Möglichkeit eröffnet, herauszufinden, wie chemische und biochemische Reaktionen ablaufen. Sogar Licht scheint auf so kurzen Zeitskalen zu kriechen und benötigt etwa 3 Attosekunden, um einen einzelnen Nanometer zu durchlaufen.

„Indem sie es ermöglichen, die Bewegung von Elektronen zu erfassen, haben Attosekundenlaser einen wichtigen Beitrag zur Grundlagenforschung geleistet“, sagt Eiji Takahashi vom RIKEN Center for Advanced Photonics (RAP). „Es wird erwartet, dass sie in einem breiten Spektrum von Bereichen eingesetzt werden, einschließlich der Beobachtung biologischer Zellen, der Entwicklung neuer Materialien und der Diagnose medizinischer Erkrankungen.“

Kraft und Schlagkraft

Obwohl es möglich ist, ultrakurze Laserpulse zu erzeugen, mangelt es ihnen an Durchschlagskraft und sie haben niedrige Energien. Die Schaffung von Laserpulsen, die sowohl ultrakurz als auch hochenergetisch sind, würde ihre Einsatzmöglichkeiten erheblich erweitern. „Die aktuelle Ausgangsenergie von Attosekundenlasern ist extrem niedrig“, sagt Takahashi. „Deshalb ist es wichtig, ihre Ausgangsenergie zu erhöhen, wenn sie als Lichtquellen in den unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt werden sollen.“

So wie Audioverstärker zur Verstärkung von Schallsignalen eingesetzt werden, nutzen Laserphysiker optische Verstärker, um die Energie von Laserpulsen zu erhöhen. Diese Verstärker verwenden normalerweise nichtlineare Kristalle, die besondere Reaktionen auf Licht zeigen. Diese Kristalle können jedoch irreparabel beschädigt werden, wenn sie zur Verstärkung von Einzelzyklus-Laserimpulsen verwendet werden, die so kurz sind, dass der Impuls endet, bevor das Licht einen vollständigen Wellenlängenzyklus durchlaufen kann.

„Der größte Engpass bei der Entwicklung energiereicher, ultraschneller Infrarot-Laserquellen war das Fehlen einer wirksamen Methode zur direkten Verstärkung von Einzelzyklus-Laserimpulsen“, erklärt Takahashi. „Dieser Engpass hat zu einer Ein-Millijoule-Grenze für die Energie von Einzelzyklus-Laserpulsen geführt.“

Ein neuer Rekord

Nun haben Takahashi und RAP-Kollege Lu Xu diese Hürde nicht nur überschritten, sie haben sie durchbrochen. Sie haben Einzelzyklusimpulse auf über 50 Millijoule verstärkt – mehr als das 50-fache der bisherigen Höchstleistung. Da die resultierenden Laserpulse so kurz sind, führt diese Energie zu unglaublich hohen Leistungen von mehreren Terawatt.

„Wir haben gezeigt, wie wir den Engpass überwinden können, indem wir eine effektive Methode zur Verstärkung eines Einzelzyklus-Laserimpulses entwickelt haben“, sagt Takahashi.

Ihre Methode namens Advanced Dual-Chirped Optical Parametric Amplification (DC-OPA) ist überraschend einfach und umfasst nur zwei Kristalle, die komplementäre Bereiche des Spektrums verstärken.

„Fortgeschrittener DC-OPA zur Verstärkung eines Einzelzyklus-Laserimpulses ist sehr einfach, da er nur auf einer Kombination von zwei Arten nichtlinearer Kristalle basiert – es scheint eine Idee zu sein, auf die jeder hätte kommen können“, sagt Takahashi. „Ich war überrascht, dass ein so einfaches Konzept eine neue Verstärkungstechnologie ermöglichte und einen Durchbruch bei der Entwicklung hochenergetischer ultraschneller Laser bewirkte.“

Wichtig ist, dass fortschrittliches DC-OPA über einen sehr breiten Wellenlängenbereich funktioniert. Takahashi und Xu konnten Impulse verstärken, deren Wellenlängen sich um mehr als den Faktor zwei unterschieden. „Diese neue Methode hat die revolutionäre Eigenschaft, dass die Verstärkungsbandbreite extrem groß gemacht werden kann, ohne die Skalierungseigenschaften der Ausgangsenergie zu beeinträchtigen“, sagt Takahashi.

Verstärkungstechnik

Ihre Technik ist eine Variation einer anderen Verstärkungstechnik für optische Impulse, der sogenannten „Chirped Pulse Amplification“, für die drei Forscher aus den USA, Frankreich und Kanada 2018 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurden. Es gibt einen interessanten Zusammenhang zwischen dem Jahr 2018 und 2023 Preise, da die Verstärkung gechirpter Pulse eine der Techniken war, die die Entwicklung von Attosekundenlasern ermöglichte.

Takahashi geht davon aus, dass ihre Technik die Entwicklung von Attosekundenlasern weiter vorantreiben wird. „Es ist uns gelungen, eine neue Laserverstärkungsmethode zu entwickeln, die die Intensität von Einzelzyklus-Laserpulsen auf Spitzenleistungen im Terawatt-Bereich steigern kann“, sagt er. „Es ist zweifellos ein großer Fortschritt in der Entwicklung von Hochleistungs-Attosekundenlasern.“

Längerfristig will er über Attosekundenlaser hinausgehen und noch kürzere Pulse erzeugen.

„Durch die Kombination von Einzelzykluslasern mit nichtlinearen optischen Effekten höherer Ordnung könnte es durchaus möglich sein, Lichtimpulse mit einer Zeitbreite von Zeptosekunden (eine Zeptosekunde = 10–21 Sekunden) zu erzeugen“, sagt er. „Mein langfristiges Ziel ist es, an die Tür der Zeptosekundenlaserforschung zu klopfen und nach den Attosekundenlasern die nächste Generation ultrakurzer Laser zu eröffnen.“