XUV-Laser in Laborgröße 07.11.2016, 07:59 Uhr

Konkurrenz für Teilchenbeschleuniger

Mit ultrakurzen Laserpulsen können Wissenschaftler Atomen und Molekülen praktisch in Echtzeit dabei zuschauen, wie diese neue chemische Bindungen eingehen. Bisher ist es Großforschungseinrichtungen wie Teilchenbeschleunigern vorbehalten, über die teure Technik zu verfügen, mit denen diese erzeugt werden können. Forscher aus Jena ändern das gerade.

Physik-Doktorand Robert Klas vom Institut für Angewandte Physik in Jena an einem Kurzpulslaser. Er und seine Kollegen stellen in einer aktuellen Publikation einen Versuchsaufbau vor, mit dem sich ultrakurze Röntgenpulse erzeugen lassen.

Physik-Doktorand Robert Klas vom Institut für Angewandte Physik in Jena an einem Kurzpulslaser. Er und seine Kollegen stellen in einer aktuellen Publikation einen Versuchsaufbau vor, mit dem sich ultrakurze Röntgenpulse erzeugen lassen.

Foto: Jan-Peter Kasper/FSU

Wollen Wissenschaftler einen Einblick in die magischen Momente erhalten, in denen beispielsweise Atome und Moleküle eine neue chemische Bindung eingehen, dann müssen sie richtig große Geschütze mitbringen. Denn der geheimnisvollen Nanowelt des Allerkleinsten kann man sich nur nähern, wenn man sie mit Strahlungen winzigster Wellenlängen und damit riesiger Energieleistungen ins Rampenlicht zieht. Mit einer gewöhnlichen Gasentladungslampe kommt man da nicht weiter, die dafür benötigte Strahlung wird als extreme ultraviolette Strahlung (XUV) bezeichnet.

Spektralbereich zwischen 10 und 121 Nanometern

„Für solche Anwendungen braucht es kohärentes, extrem kurz gepulstes XUV-Licht“, betont Prof. Dr. Jens Limpert von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. XUV-Licht ist längst kein sichtbares Licht mehr, es nimmt den Spektralbereich zwischen 10 und 121 Nanometer ein. Sichtbares Licht besetzt im elektromagnetischen Spektrum den Spektralbereich zwischen etwa 380 und 780 Nanometer. Vor knapp einem Monat ist in Hamburg für genau solche Beobachtungen im Nanomaßstab eine riesige Forschungsanlage feierlich eröffnet worden. 

Begrenzter Zugang zu den Großforschungsanlagen

Der European XFEL in Hamburg ist eine 3,4 km lange Anlage, die in der Lage ist, extrem energiereiches Laserlicht mit Wellenlängen von 0,05 bis 4,7 Nanometern zu erzeugen. Die Baukosten für die im Untergrund liegende Anlage betrugen rund 1,22 Milliarden Euro. Insgesamt sind elf Länder am European XFEL beteiligt.

Mitarbeiter fahren in Hamburg im Teilchenbeschleuniger-Tunnel des Röntgenlasers European XFEL am Beschleuniger (gelb) entlang.  

Mitarbeiter fahren in Hamburg im Teilchenbeschleuniger-Tunnel des Röntgenlasers European XFEL am Beschleuniger (gelb) entlang.  

Foto: Daniel Bockwoldt/dpa

Entsprechend begrenzt ist der Zugang zu dieser Großforschungsanlage für die Forscher aus den beteiligten Ländern. Deshalb haben die Jenaer Physiker um Jens Limpert nun einen Versuchsaufbau entwickelt, mit dem sich diese ultrakurzen, intensiven XUV-Pulse praktisch in jedem normalen Optik-Labor auf der Welt produzieren lassen. Ihre Idee haben sie jetzt im Fachmagazin „Optica“ vorgestellt. Die XUV-Pulse aus Jena zeichnen sich vor allem dadurch aus, dass sie sich mit einer deutlich höheren Effizienz erzeugen lassen.

Leistung liegt im Milliwatt-Bereich

Die Physiker aus Jena fokussieren ihren Laserpuls in einem ersten Schritt in einen doppelbrechenden Kristall. Dadurch verdoppelt sich die Frequenz des ursprünglich infraroten Laserlichts. Das Ergebnis ist ein Laserpuls im grünen Wellenlängenbereich. Im zweiten Schritt der sogenannten kaskadierten Frequenzkonversion wird dieser grüne Laserpuls erneut im Kristall fokussiert. Daraus resultiert ein noch höherfrequentierter Laserpuls im gewünschten XUV-Spektrum. 

Hier trifft ein kurzer Laserpuls auf ein Molekül (Butadien), das in zwei Bruchstücke zerfällt.

Hier trifft ein kurzer Laserpuls auf ein Molekül (Butadien), das in zwei Bruchstücke zerfällt.

Foto: TU Wien

Durch diese Kaskade aus Licht erzeugen die Jenaer Forscher spektral schmalbandige und kohärente XUV-Pulse mit einer Leistung im Milliwatt-Bereich. Die Wellenlänge dieser Powerpulse beträgt nur noch 57 Nanometer. „Übliche Systeme kommen lediglich auf ein Hunderstel dieser Leistung, während unsere Faserlaser basierten Systeme typischerweise cirka 100 Mikrowatt Durchschnittsleistung liefern – diese neuartige Methode ist nun nochmals eine Größenordnung besser“, betont Doktorand Robert Klas, der die neuartige Strahlungsquelle gemeinsam mit Kollegen realisiert hat.

Es wird nun nicht mehr lange auf sich warten lassen, bis die Forscher aus Jena ihre neue effektive Strahlungsquelle für bildgebende Verfahren einsetzen können, um dreidimensionale Strukturen mit einer Auflösung von wenigen zehn Nanometern sichtbar zu machen. Die geheime Nanowelt, sie kann sich künftig nicht mehr so gut verstecken.

Von Detlef Stoller

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