Ultrakurze Hochleistungs-Laserpulse

Forschern gelang es, ultrakurze Laserpulse zu komprimieren und ihre Leistung auf ein halbes Terawatt zu erhöhen

15.09.2016 - Österreich

Es ist ein äußerst ungewöhnlicher Laser: Das Forschungsteam am Institut für Photonik an der TU Wien hat ein Gerät entwickelt, das ultrakurze Infrarot-Blitze mit extrem hoher Energie produziert. „Große Wellenlängen im Infrarotbereich, eine kurze Dauer der Laserpulse und hohe Energie – diese drei Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen ist sehr schwer“, sagt Valentina Shumakova. „Aber diese Kombination ist genau was wir für viele interessante Starkfeld-Experimente brauchen.“

Nun gelang dem Team ein entscheidender Durchbruch: Indem energiereiche Pulse im mittleren Infrarotbereich durch ein festes Material gesendet wurden, konnten die Pulse zeitlich und räumlich komprimiert werden. Die Gesamtenergie bleibt gleich, kann nun aber in deutlich kürzerer Zeit übertragen werden, wodurch sich eine extrem hohe Leistung von bis zu einem halben Terawatt ergibt – das entspricht der Leistung von hunderten Kernreaktoren. Während diese ihre Leistung allerdings kontinuierlich über lange Zeiträume bringen, dauert der Laserpuls nur etwa 30 Femtosekunden.

Unsichtbare Farben

„Unter bestimmten Bedingungen kann sich ein Laserpuls selbst komprimieren und kürzer werden. Das ist ein wohlbekanntes Phänomen in der Lasertechnik“, sagt Audrius Pugzlys. „Aber bisher dachte man, dass diese Selbst-Kompression in festen Materialien bei derart hohen Intensitäten unmöglich ist.“

Im Gegensatz zum Licht eines gewöhnlichen Laserpointers besteht ein ultrakurzer Laserpuls nicht nur aus einer bestimmten Farbe. Er ist eine Mischung aus einem Spektrum unterschiedlicher Wellenlängen – in diesem Fall im Infratot-Bereich um einen Mittelwert von 3.9 Mikrometern, unsichtbar für das menschliche Auge.

Im Vakuum bewegt sich Licht immer gleich schnell fort, unabhängig von der Wellenlänge. Bei Licht, das sich durch ein festes Material bewegt, ist das allerdings nicht der Fall. „Das Material führt dazu, dass sich gewisse Komponenten des Laserpulses schneller bewegen als andere. Wenn dieser Effekt klug genutzt wird, komprimiert sich dadurch der Puls. Er wird kürzer, einfach indem er durch das Material geschickt wird“, sagt Skirmantas Alisauskas.

Diese Technik lässt sich allerdings nicht immer anwenden. „Wenn die Intensität des Lichtpulses sehr hoch ist, dann neigt er dazu, auf chaotische Weise zu kollabieren und sich in einzelne, voneinander getrennte Filamente aufzuspalten“, sagt Audrius Pugzlys. „Das lässt sich mit einem Blitz vergleichen, der sich spontan in mehrere Zweige teilt.“ Jeder dieser Zweige trägt nur einen kleinen Teil der Energie des ursprünglichen Strahls, der daraus resultierende Laserstrahl kann nicht mehr für Startfeld-Laserexperimente genutzt werden.

Filamentations-Grenzwerten um vier Größenordnungen

Das Team der TU Wien hat nun in Zusammenarbeit mit einer Forschungsgruppe der Universität Moskau allerdings herausgefunden, dass es bestimmte Bedingungen gibt, unter denen die Kompression des Laserpulses bei extrem hohen Intensitäten möglich ist, ohne dass der Laserpuls in einzelne Filamente zerfällt. „Wie sich herausstellt, haben wir es mit unterschiedlichen Längenskalen zu tun“, sagt Valentina Shumakova. „Die Längenskala der Filamentation ist größer als die Längen, auf denen es zur Kompression des Laserpulses kommt. Wir können daher einen Parameterbereich finden, in dem der Laserpuls zwar komprimiert wird, aber der störende Filamentations-Effekt noch ausbleibt.“ Die Leistung des Laserpulses ist um einen Faktor 10.000 höher als der Grenzwert, über dem Filamentation einsetzt – und trotzdem kollabiert er nicht.

Das Team verwendete einen Yttrium-Aluminium-Granat-Kristall mit einer Dicke von wenigen Millimetern – und die Resultate sind bemerkenswert: Indem ein Laserpuls durch den Kristall geschickt wird, kann man ihn von 94 Femtosekunden auf 30 Femtosekunden verkürzen. Die Energie bleibt fast gleich, die Leistung erhöht sich um einen Faktor drei, auf beinahe ein halbes Terawatt. „Nachdem der Puls so kurz ist, hat er insgesamt immer noch relativ wenig Energie. Aber diese außerordentlich hohe Leistung öffnet uns die Tür zu ganz neuen spannenden Experimenten und vielleicht auch zu neuen lasertechnologischen Anwendungen“, sagt Audrius Pugzlys.

Originalveröffentlichung

V. Shumakova, P. Malevich, S. Ališauskas, A. Voronin, A. M. Zheltikov, D. Faccio, D. Kartashov, A. Baltuška & A. Pugžlys; "Multi-millijoule few-cycle mid-infrared pulses through nonlinear self-compression in bulk"; Nature Comm.; 2016

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