Attosekunden-Blitze mit bislang unerreichter Intensität erzeugt

Physiker haben eine alternative Methode zur Gewinnung von ultrakurzen Lichtblitzen, so genannten Attosekunden-Pulsen, entwickelt. Diese haben eine viel höhere Intensität als konventionell erzeugte, berichten die Forscher in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Physics“.

Das neue Verfahren hat aber noch einen weiteren Vorteil gegenüber herkömmlichen: Die neue Methode sollte skalierbar sein, das heißt, je höher die Laserintensität, desto kürzer und energiereicher die Attosekunden-Pulse. Attosekunden-Pulse mit einer Intensität, die weit höher ist als sie dem gegenwärtigen Stand der Technik entspricht, würden eine Reihe interessanter Experimente und sogar Anrege-Abfrage-Experimente mit Attosekunden-Auflösung ermöglichen.

Lichtblitze „frieren“ Bewegung von Elektronen ein

Neue Entwicklungen in der Lasertechnik haben den Weg geebnet, Lichtblitze von Attosekundendauer – eine Attosekunde entspricht 10 hoch -18 sec – zu erzeugen, mit denen sich die Bewegung der Elektronen in Atomen und Molekülen „einfrieren“ lässt. Die Bandbreite der möglichen Anwendungen ist jedoch durch die geringe Intensität gegenwärtiger Quellen begrenzt.

Wissenschaftler um George Tsakiris und Professor Ferenc Krausz vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik haben nun in einem neuen Experiment demonstriert, dass sich hochdichte relativistische Festkörper-Plasmen für die effiziente Umwandlung infraroten Laserlichts in harmonische XUV-Strahlung eignen.

Ein infraroter Laser-Puls aus wenigen Wellenzügen (halbe Schwingungsperiode: 1,3 Femtosekunden = 1.300 Attosekunden) wird auf ein Festkörper-Target fokussiert. Der reflektierte Puls enthält eine Vielzahl von Harmonischen, aus denen durch geeignete Filterung ein einzelner Attosekunden-Pulse selektiert wird. © MPQ

Dabei gelang es den Physikern, in einem Zeitraum von weniger als einer Femtosekunde große Mengen an Lichtenergie zu erzeugen. Das Erreichen zeitlicher und räumlicher Auflösung auf subatomaren Skalen hätte weitreichende Folgen für viele Forschungsgebiete, von der Physik über die Chemie, Biologie und Medizin bis hin zu den Informationstechnologien.

Pulse aus dem Titan-Saphir-Laser

Das übliche Verfahren für die Gewinnung ultrakurzer kohärenter Lichtpulse im XUV-Spektralbereich beruht auf der Erzeugung so genannter „Harmonischer“, die beim Gang von Laserlicht durch ein Gas-Target entstehen. Das Laserlicht wird dabei in Strahlung umgewandelt, deren Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz ist.

Im Gegensatz dazu fokussieren die Physiker bei dem hier beschriebenen Experiment kurze Laserpulse aus dem Titan-Saphir-Laser ATLAS (IR, 800 nm) auf ein Festkörper-Target. Dessen Oberfläche wird dadurch vollständig ionisiert, so dass sich dort ein hochdichtes Plasma herausbildet, in dem die Elektronen mit annähernder Lichtgeschwindigkeit im Laserfeld oszillieren.

Plasmawellen erzeugt

Zwei Prozesse führen hier nach Angaben der Wissenschaftler zur Erzeugung Harmonischer: Auf der einen Seite reflektieren die hin- und her schwingenden Elektronen das ankommende Licht. Wenn sie dabei dem Strahl entgegenlaufen, wird das Licht infolge des Doppler-Effekts zu höheren Frequenzen verschoben. Auf der anderen Seite – und das ist der dominante Prozess in diesem Experiment – erzeugen die in die Oberfläche injizierten Elektronen in ihrem Gefolge Plasmawellen.

Unter bestimmten Umständen werden diese in elektromagnetische Strahlung bei höheren Harmonischen als der Frequenz des Treiberlasers umgewandelt. Ein geeigneter Filter entfernt die verbliebene IR-Strahlung und selektiert einen Bereich von Harmonischen.

Forscher arbeiten mit Tricks

„Es gibt keine Möglichkeit, die zeitliche Struktur der Folge von ausgesandten Attosekunden-Pulsen direkt zu bestimmen“, erklärt Tsakiris, der Leiter des Projekts. „Wir müssen uns daher eines Tricks bedienen: wir lassen zwei Kopien der Pulszüge mit den Atomen in einem Helium-Gasjet in Wechselwirkung treten. Indem wir die Zeitverschiebung zwischen ihnen variieren und die korrespondierende Zahl an Helium-Ionen aufzeichnen, können wir auf die Zeitstruktur der XUV-Strahlung schließen.“

Und Rainer Hörlein fügt hinzu: „Wir haben erstmals gezeigt, dass die in einem Festkörper erzeugten Harmonischen tatsächlich als eine dichte Folge von Attosekunden-Pulsen ausgesandt werden.“

(idw – Max-Planck-Institut für Quantenoptik, 18.12.2008 – DLO)