Ludwig-Maximilians-Universität München
print

Links und Funktionen
Sprachumschaltung

Navigationspfad


Inhaltsbereich

Attosekundenphysik

Die Zukunft ultrakurzer Laserpulse

München, 23.07.2014

Unsere Kenntnisse über Elektronen könnten sich mit der rasanten Entwicklung der nächsten Generation ultrakurzer Lichtblitze enorm erweitern.

Attosekunden-Lichtblitz-Erzeugung (Foto: Thorsten Naeser)

Eine neue Generation von Lichtblitzen – die sogenannte dritte Generation von Femtosekunden-Laserpulsen – treibt die Erforschung von Ultrakurzzeit-Ereignissen im Mikrokosmos voran. Mit ihr könnten bald die Bewegungen kleinster Teilchen, wie Elektronen, detaillierter als bisher beobachtet werden. Ein Team um Professor Ferenc Krausz vom Labor für Attosekundenphysik (LAP) der Ludwig-Maximilians Universität München (LMU) und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) berichtet im neuen Wissenschaftsmagazin Optica der Optical Society of America über die dafür notwendige Lasertechnologie und deren Perspektiven.

Die Erzeugung von Laserpulsen, die nur Femtosekunden dauern, hat seit ihrer erstmaligen Produktion in den 1970er-Jahren eine imposante Entwicklung genommen. Alles begann mit Farbstofflasern, deren Pulse knapp unter einer Pikosekunde lang waren. Schnell gelangte man zu Zeiten von wenigen Femtosekunden Dauer (eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde, 10-15s). Heute hat ein wenige Femtosekunden langer Laserpuls nur wenige Ausschläge der Lichtwellen und damit des elektromagnetischen Feldes. Dabei nehmen die Ausschläge bis zur Mitte des Pulses zu, erreichen kurz eine Gipfelhöhe (Peak) und fallen danach wieder ab.

Femtosekunden-Pulse können in der Spitze ihres Lichtwellenausschlages Leistungen von vielen Terawatt (Billionen Watt, 1012 Watt) erreichen. Zum Vergleich: Ein Atomkraftwerk produziert typischerweise eine Leistung in der Größenordnung von 1 Gigawatt Leistung (109 Watt), das sind mehr als tausendmal weniger Watt. Die nächste, sogenannte dritte Generation der Femtosekunden-Laserpulse wird Lichtblitze mit Terawatt-Spitzenleistungen erstmals mehrere Tausend Mal in der Sekunde bereitstellen. Diese Frequenz ist hundert- bis tausendmal höher als bisher.

Möglich macht dies heute vor allem die Technologie der Scheibenlaser. Bei einem Scheibenlaser ist der lichtverstärkende Kristall eine dünne Scheibe. Diese Geometrie garantiert im Vergleich zu herkömmlichen Festkörperlasern bei zunehmender Leistung einen stabileren Betrieb. Die Pikosekundenpulse aus dieser Quelle eignen sich ideal zum Pumpen sogenannter optischer parametrischer Verstärker. Diese Verstärker wandeln die Energie der Pikosekundenpulse in Lichtpulse mit einer Dauer von wenigen Femtosekunden und Spitzenleistungen im Terawatt-Bereich um.

Attosekunden-Lichtblitze im Röntgenbereich

Die dritte Generation Femtosekundenpulse wird ihrerseits, theoretischen Untersuchungen zufolge, wiederum die nächste Generation Attosekunden-langer Lichtblitze zur Erforschung des Mikrokosmos und vor allem der Fotografie von Elektronen erzeugen (eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde, 10-18s). Die Wellenlänge dieser Blitze wird weniger als einen Nanometer betragen. Das werden dann die ersten Attosekunden-Lichtblitze im Röntgenbereich sein. Solche Attosekunden-Röntgenblitze werden – mittels Röntgenbeugung – scharfe Momentaufnahmen über die Position von Elektronen innerhalb von Molekülen und Festkörpern mit einer Genauigkeit unter einem Nanometer liefern. Aus einer Serie solcher Attosekunden-Momentaufnahmen wird man die durch die Quantenmechanik bestimmten „Laufwege“ von Elektronen in atomaren Systemen erstmals verfolgen können.

Im neuen Laserforschungszentrum Laboratory for Extreme Photonics (LEX Photonics) der LMU arbeiten die Physiker bereits an dieser dritten Generation Femtosekunden-Laserpulse, um die Attosekunden-Lichtblitzerzeugung in den Bereich der Röntgenstrahlen auszuweiten. Da die Welt der Elektronen bis jetzt nur im Ansatz verstanden ist, bietet sich durch die verbesserte Lasertechnik die Chance, dem Mikrokosmos immer mehr Geheimnisse zu entreißen. Mit den künftigen Attosekunden-Röntgenblitzen könnte es sogar möglich sein, Echtzeit-Filme über jedwede Teilchenbewegungen außerhalb des Atomkerns zu „drehen“.
(Optica, Vol. 1, Issue 1)                              Thorsten Naeser