Ein noch leistungsstärkerer Laser à ultraschnelle Blitze

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Jakub Drs (Image: UNINE)

Jakub Drs (Image: UNINE)

Das Laboratoire Temps-Fréquence (LTF) der Universität Neuchâtel hat gerade eine neue Leistung im Bereich der ultraschnellen Laser vollbracht. Das Gerät verwandelt einen Infrarotlaser in ein Stroboskop, dessen Impulse jeweils nur 27 Femtosekunden (fs) dauern, also 27 Milliardstel einer Mikrosekunde, aber mit einer Leistung, die mit der eines Atomkraftwerks vergleichbar ist! Diese Leistung steht im Mittelpunkt einer Doktorarbeit, die soeben an der UniNE verteidigt wurde.

Das LTF ist nicht zum ersten Mal dabei. Bereits 2018 hatte einer seiner Doktoranden, Clément Paradis, mit einem ultraschnellen Laser Rekordleistungen erzielt. Vier Jahre später ermöglichen die Arbeiten, die in einem vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) unterstützten Projekt* geleistet wurden, eine 25-fache Steigerung der Strahlleistung im Laserresonator von 80 Megawatt auf 2 Gigawatt. Jakub Drs, der Anfang des Monats seine Doktorarbeit am LTF verteidigt hat, erklärt: "In diesen für das bloße Auge unsichtbaren Impulsen wird die Leistung eines Atomkraftwerks komprimiert.

Besonders bemerkenswert ist, dass diese sehr hohe Leistung nur für einen extrem kurzen Moment auftritt. Um die Kürze dieses Impulses zu veranschaulichen, kann man sagen, dass die Dauer einer Femtosekunde im Vergleich zu einer Sekunde dem Vergleich des Durchmessers eines Haares mit der Entfernung Erde-Mond (384’400 km) entspricht.

In dieser Zeit wird die Intensität des Lasers so gigantisch, dass die Elektronen durch das elektrische Feld des Laserlichts beschleunigt werden. Mit diesen beschleunigten Elektronen", erklärt Jakub Drs, "können wir die Wellenlänge unseres Lasers bis in den extrem ultravioletten Bereich verändern. Diese Art von Strahlung ist normalerweise nur in großen Anlagen verfügbar, die ganze Gebäude umfassen, wie Synchrotrons oder Freie-Elektronen-Laser (von denen es in der Schweiz je einen gibt). Und hier produzieren wir sie auf einem Labortisch. ’

Unser Laserpulsgerät ist in seiner Art einzigartig", fährt der Forscher fort. Im Wesentlichen haben wir vor allem im Vorfeld der Signalerzeugung gearbeitet, in einem Teil, den man Resonator oder Laserhohlraum nennt, und nicht erst nach dem Austritt des Strahls, wie es einige unserer Konkurrenten tun. Natürlich handelt es sich immer noch um eine Versuchsanordnung, die den Platz eines großen Tisches einnimmt, aber mit der man bemerkenswerte Leistungen erzielen kann. ’

Diese Leistung blieb auch in der wissenschaftlichen Gemeinschaft nicht unbemerkt. Jakub Drs wurde beim European Optical Society Annual Meeting 2021 in Rom mit dem Best Student Paper Award ausgezeichnet, während ein anderer Doktorand des LTF, Julian Fischer, der an demselben Projekt arbeitet, zwischen 2021 und 2022 drei ähnliche Auszeichnungen auf renommierten internationalen Konferenzen erhielt. Alle diese Auszeichnungen zeigen, dass die Arbeiten an der UniNE den neuesten Stand der Technik im Bereich der ultraschnellen Laser darstellen".’, freute sich Professor Thomas Südmeyer, Direktor des LTF, während der Laudatio zur Verteidigung von Jakub Drs, dessen Dissertation er betreut hatte.

Die Anwendungsmöglichkeiten von Ultrahochgeschwindigkeitslasern sind breit gefächert und reichen vom Feinschneiden von Metallen bis hin zu bildgebenden Verfahren. Das Frequenzspektrum, in dem der Laser des LTF arbeitet, ist das extreme Ultraviolett: Das macht ihn zu einem bildgebenden Werkzeug, das weniger invasiv ist als Röntgenstrahlen und sich eignet, um die Kristallstruktur bestimmter Materialien aufzudecken. Dies ist besonders nützlich für das Design von Halbleitern, Schlüsselelementen in alltäglichen elektronischen Gegenständen.

Wenn wir die Impulsdauer weiter verkürzen, können wir uns vorstellen, eines Tages den Energieübergang eines einzelnen Elektrons live zu beobachten, wenn es seinen elektronischen Zustand ändert. Dieser Übergang dauert nur einige Dutzend Attosekunden (die Attosekunde ist 1000 Mal kürzer als die Femtosekunde, Anm. d. Red.) und lässt sich erst seit einigen Jahren dank der Entwicklung der Attosekundenwissenschaft beobachten. Dies ist ein unglaublicher experimenteller Schritt in der Grundlagenphysik. Wir hoffen, diese Art von Messungen in den nächsten Jahren auch in unserem Labor in Neuchâtel durchführen zu können’, plant Jakub Drs. Aber das ist noch Zukunftsmusik.


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