Effiziente Erzeugung extrem ultravioletter Laserpulse durch Wakesurfing hinter Elektronenstrahlen

Ein Laserpuls, der im Kielwasser eines Elektronenstrahlpulses surft, könnte von sichtbarem zu extrem ultraviolettem Licht hochgeschaltet werden, wie Simulationen gezeigt haben, die an der University of Michigan durchgeführt wurden.

Der Ansatz könnte eine effizientere Erzeugung von hochenergetischem Laserlicht, vielleicht sogar bis hin zu Röntgenstrahlen, ermöglichen. Die 3D-Simulation zeigte eine bis zu zehnfache Erhöhung der Lichtfrequenz, während die 1D-Simulation eine bis zu einer 50-fachen Erhöhung zeigte. Die Forscher sagen, dass es im Prinzip möglich ist, die Energie des Laserpulses weiter zu verstärken, indem man die Zeitspanne verlängert, die er im Kielwasser des Elektronenstrahls reiten kann.

„Zukünftige Laser, möglicherweise auch solche, die zum Strukturieren von Halbleiterchips für Computer verwendet werden, könnten diesen Effekt nutzen, um Impulse mit höherer Energie effizienter zu erzeugen“, sagte Alec Thomas, UM-Professor für Nukleartechnik und Radiologie und korrespondierender Autor der Studie in Briefe zur körperlichen Überprüfung.

Eine zehnfache Erhöhung der Frequenz reicht aus, um sichtbares Licht in extrem ultraviolette Strahlung umzuwandeln, und das Verfahren behält auch die Ausrichtung der Wellen im anfänglichen Laserpuls bei, die sogenannte Kohärenz. Außerdem steigt die Energie des Pulses mit der Frequenz, was Spitzenleistungen von bis zu 100 Billionen Watt ermöglicht.

Dies ist mehr als die Leistung der weltweiten Stromerzeugungskapazität für eine flüchtige Billiardstel Sekunde. Die Forscher gehen davon aus, dass dieses Phänomen eine erhebliche Menge an Energie in der Halbleiterfertigung und in Laserphysiklabors einsparen könnte, obwohl sie es vorziehen, nicht zu schätzen, wie viel, bis sie den Befund durch Experimente bestätigen.

So funktioniert das:

Beginnen Sie mit einem kurzen Elektronenimpuls, der sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegt. Wenn sie durch ein Gas wandern, reißen sie es auseinander oder ionisieren es und erzeugen einen Materiezustand namens Plasma, in dem Elektronen von ihren Atomen abgehoben werden. Was den Elektronenpuls betrifft, so stehen die schweren, positiv geladenen Ionen still, aber die losen Elektronen bilden einen Nachlauf hinter dem Elektronenpuls.

„Es ist wie ein Motorboot, das durch das Wasser fliegt und das Wasser hinter sich her schiebt“, sagte Erstautor Ryan Sandberg, ein UM Ph.D. Absolvent in angewandter und interdisziplinärer Mathematik und wissenschaftlichem Rechnen und jetzt wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lawrence Berkeley National Laboratory. „Der Elektronenpuls pflügt durch, und der Laserpuls ist sehr ähnlich zu jemandem, der hinter dem Motorboot sitzt und versucht, diese Kielwasser zu surfen.“

Dieser Wakesurfing-Laserpuls – der direkt vor der ersten Welle loser Elektronen sitzt, die dem Elektronenstrahl folgen – wird Energie aus dem Kielwasser aufnehmen. Dies geschieht, weil die ziemlich hohe Dichte loser Elektronen, die von einem Bereich begrenzt sind, in dem sie weitgehend fehlen, eine Grenze bildet, an der sich das Laserlicht auf beiden Seiten unterschiedlich bewegt. Wenn die Lichtwellen die losen Elektronen verlassen, rücken die Spitzen und Täler näher zusammen, wodurch der Laserpuls auf eine höhere und energiereichere Lichtfrequenz verschoben wird.

Dieser Effekt wurde erstmals 1989 von Forschern der University of California, Los Angeles und des Los Alamos National Laboratory vorhergesagt, aber damals schien nur eine 10-prozentige Hochschaltung machbar, bevor der Laserpuls auf der Plasmaspur aus seiner Position rutschte. Dennoch spekulierte das kalifornische Team, dass, wenn es möglich wäre, das Licht auf dieser Grenze zwischen den Elektronen und dem Bereich ohne Elektronen zu halten, der Puls weiter an Energie gewinnen könnte, sogar um das Zehnfache.

Mehr als 30 Jahre später fand das Michigan-Team einen neuen Weg, um dies zu erreichen. Das Problem ist, dass der Elektronenstrahl und damit der Nachlauf nicht die gleiche Geschwindigkeit wie der Laserpuls hat – das Licht wird durch das Plasma leicht verlangsamt, obwohl es an Energie gewinnt. Um den Laserpuls an der richtigen Stelle zu halten, muss sich die Grenze auch relativ zum Elektronenstrahl nach hinten verschieben.

Sandberg und Thomas schlagen vor, dies zu erreichen, indem sie die Dichte des Gases variieren, durch das sich der Elektronenstrahl bewegt. Wenn das Gas weniger dicht ist, erstreckt sich der Nachlauf weiter hinter dem Elektronenstrahl.

„Auf diese Weise gelang es Ryan, die Frequenz um das Hundertfache höher zu schalten als alle anderen zuvor“, sagte Thomas.

Sandberg und Thomas glauben, dass es möglich ist, mit dieser Methode in Laboratorien wie dem Stanford Linear Accelerator Center und in Zukunft der ZEUS-Laseranlage an der UM eine zehnfache Frequenzerhöhung zu erreichen. Und im Prinzip gehen sie davon aus, dass sich die Wellenlänge des Lichts weiter verkürzen und zu höheren Energien und Frequenzen drängen würde, solange das Licht an der Grenze bleibt.