Mit der vorgestellten Glasfasermethode steht ein neues Werkzeug zur Erzeugung von Laserpulsen mit extrem hoher Energie in einem Wellenlängenbereich zur Verfügung, der zuvor schwer zugänglich war.
Wien – Laserpulse mit extrem hoher Energie spielen in der modernen Forschung mittlerweile eine bedeutende Rolle. Für viele dieser Anwendungen werden allerdings Laserstrahlen benötigt, die eine höhere Wellenlänge besitzen als man sie mit herkömmlichen Festkörperlasern erzeugen kann. Schon lange forscht man daher an speziellen Tricks, mit denen sich die Wellenlänge eines Laserstrahls erhöhen lässt. Ein Team der TU Wien mit Unterstützung aus Kanada und Russland verfolgt dabei nun einen ganz neuen Ansatz. Damit das Laserlicht die erforderlichen Eigenschaften für die Erzeugung solcher Laserpulse hat, schicken sie es durch eine lange, mit Stickstoff gefüllte Glasfaser.
Verlustreich, kompliziert und teuer
Um energiereiche, kurze Laserpulse zu erzeugen, braucht man Laserlicht mit unterschiedlichen, auf die richtige Weise überlagerten Wellenlängen. Daher werden Methoden gesucht, das Laserlicht entsprechend zu verändern. "Besonders günstig ist der Mikrometer-Bereich – also Wellen, die deutlich länger sind als man sie etwa mit gewöhnlichen Saphir-Lasern erzeugen kann", erklärte Paolo Carpeggiani vom Institut für Photonik der TU Wien. Bisherige Verfahren dafür sind kompliziert und teuer, zudem geht ein großer Teil der Laserenergie dabei verloren.
Basis des an der TU entwickelten Verfahrens, das nun im Fachjournal "Optica" vorgestellt wurde, ist die sogenannte Raman-Streuung: Wird ein Photon an einem Molekül gestreut, gibt es dabei einen kleinen Teil seiner Energie an das Molekül ab und hat dann eine geringfügig größere Wellenlänge als zuvor.
Durch das volle Rohr geschickt
Um das zu nutzen schicken die Forscher Laserlicht durch eine fünf Meter lange, hohle Glasfaser mit einem Durchmesser von einem Millimeter, die mit Stickstoff gefüllt ist. "Indem wir den Druck des Stickstoffgases im Inneren der Faser verändern, können wir bestimmen, wie häufig es im Inneren zu Streuprozessen kommt. So können wir kontrollieren, wie stark sich die Wellenlänge des Laserlichts erhöhen soll", so Carpeggiani.
Weil nicht alle Photonen auf ihrem Weg durch die Glasfaser exakt gleich viel Energie verlieren, kommt am Ende ein Laserstrahl aus vielen unterschiedlichen Wellenlängen heraus. So eignet sich das Licht gut, um ultrakurze und extrem energiereiche Pulse zu erzeugen.
Besser als vorhergesagt
"Die Grundidee ist einfach, aber dass diese Methode tatsächlich funktioniert, war zunächst alles andere als offensichtlich", meint Carpeggiani. "Unsere experimentellen Ergebnisse waren viel besser als man zunächst mit einfachen theoretischen Modellen erklären konnte. Erst als in Moskau dann ein detailliertes dreidimensionales Simulationsmodell entwickelt wurde, war klar, warum die Methode so erfolgreich ist." (red, APA, 26.10.2020)