Neben Laser als starken, kontinuierlichen Lichtstrahl besteht ein Bedarf an Laserlicht, das in sehr kurzen, intensiven Impulsen abgegeben wird. Die so erzeugten Lichtpulse eignen sich einerseits zur Formung von Materialien und andererseits zur Erzeugung hoher harmonischer Frequenzen. Die reichen bis in den Röntgenbereich reichen und können dabei helfen, Prozesse zu beobachten, die auf der Attosekundenskala ablaufen.
Eine Attosekunde entspricht einem Trillionstel einer Sekunde. Diese unglaublich kleine Zeiteinheit wird hauptsächlich in der Physik, insbesondere in der Quantenmechanik und der Laserspektroskopie, verwendet, um extrem schnelle Phänomene, wie das Verhalten von Elektronen, zu messen.
Laseroszillator erzeugt Pulse im Pikosekundenbereich
Diese Geschwindigkeit erreicht der neue Laseroszillator eines Forschungsteams unter der Leitung von Professorin Ursula Keller vom Institut für Quantenelektronik der ETH Zürich in der Schweiz nicht. Mit Pulsen im Bereich einer Pikosekunde, einem Billionstel einer Sekunde, ist der Laseroszillator dennoch rasant schnell.
An einem Impulsgenerator im Attosekundenbereich arbeitet für die nächsten fünf Jahre übrigens ein Team um den Assistenzprofessor Dr. Christian Brahms von der Heriot-Watt-Universität im schottischen Edinburgh. Dafür stehen ihm Fördermittel der EU in Höhe von umgerechnet 2,3 Millionen Euro zur Verfügung.
Das Bemerkenswerte am neuen Laseroszillator aus der Schweiz ist weniger seine, ebenfalls hohe Geschwindigkeit, sondern vielmehr die Leistung, die er bringt. Denn den Forscher:innen um Prof. Keller ist es gelungen, die stärksten Laserpulse, die je von einem Laseroszillator erzeugt wurden, zu erzeugen.
Leistung über 50 % über dem bisherigen Rekord
Die liegen mit einer durchschnittlichen Leistung von 550 Watt um über 50 Prozent über dem bisherigen Rekord. Diese Impulse werden in einem schnellen, regelmäßigen Muster von fünf Millionen Impulsen pro Sekunde abgegeben. Dabei erreicht jeder Impuls Spitzenleistungen von bis zu 100 Megawatt . Das ist ausreichend, um theoretisch 100.000 Staubsauger kurzzeitig mit Strom zu versorgen.
Das Ergebnis ist der Erfolg einer 25 Jahre dauernden Forschung an diesen sogenannten Kurzpuls-Scheibenlasern. Kellers Team hat ein Gerät entwickelt, bei dem das Lasermaterial aus einer nur 100 Mikrometer dicken Scheibe eines Kristalls mit Ytterbiumatomen besteht. Ytterbium ist ein seltenes Erdmetall und wurde nach dem schwedischen Dorf Ytterby benannt, wo es zusammen mit mehreren anderen Lanthanoiden entdeckt wurde.
Im Verlauf der langen Forschungsdauer stießen Frau Keller und ihr Team immer wieder auf Probleme, die sich teils spektakulär in der Zerstörung von Teilen ihres Labors äußerten. Letztlich führte die Lösung der Probleme zu immer zuverlässigeren Scheibenlasern.
„Die Kombination aus noch höherer Leistung und Pulsraten von 5,5 Megahertz, die wir jetzt erreicht haben, basiert auf zwei Innovationen“, erklärt Moritz Seidel, Doktorand in Kellers Labor, gegenüber Scitechdaily. Bei diesen Innovationen handelt es sich zum einen um eine spezielle Anordnung von Spiegeln, die das Licht im Inneren des Lasers mehrmals durch die Scheibe leiten, bevor es den Laser durch einen Auskoppelspiegel verlässt. Dadurch wird es extrem verstärkt.
Die zweite Innovation ist das Herzstück des Kurzpulslasers. Dabei handelt es sich um einen speziellen Spiegel aus Halbleitermaterial. Den hatte Professorin Keller bereits vor dreißig Jahren erfunden und ihn SESAM (Semiconductor Saturable Absorber Mirror) genannt. Im Gegensatz zu normalen Spiegeln hängt die Reflexivität eines SESAM von der Stärke des auftreffenden Lichts ab.
Diese hohe Lichtleistung war bisher nur mit Verstärkern möglich
„Impulse mit Leistungen, die mit denen vergleichbar sind, die wir jetzt erreicht haben, konnten bisher nur durch das Senden schwächerer Laserimpulse durch mehrere separate Verstärker außerhalb des Lasers erreicht werden“, erklärt Seidel. Der Nachteil dabei sei jedoch, dass die Verstärkung zu Schwankungen in der Leistung führt, was insbesondere bei Präzisionsmessungen Probleme verursacht.
Laut Keller kann der Kurzpuls-Scheibenlaser auch in neuen sogenannten Frequenzkämmen im Ultraviolett- bis Röntgenbereich Anwendung finden. Auch Terahertz-Strahlung kann mit dem Laser erzeugt und dann beispielsweise zur Prüfung von Materialien verwendet werden. „Insgesamt kann man sagen, dass wir mit unseren Pulslasern gezeigt haben, dass Laseroszillatoren eine gute Alternative zu verstärkerbasierten Lasersystemen sind und sie neue und bessere Messungen ermöglichen“, fasst Keller zusammen.
Die Ergebnisse des Teams wurden in der wissenschaftlichen Zeitschrift Optica veröffentlicht.
