02.05.2012

Wissenschaftliche Abteilung, Französische Botschaft in der Bundesrepublik Deutschland

Erste kontrollierte Erzeugung ultrakurzer Lichtimpulse mit Hilfe eines Plasmas

Die Ionisation eines Atoms oder der Übergang eines Elektrons von einem angeregten Zustand in einen anderen sind Beispiele für Ereignisse, deren Dauer eine Größenordnung von nur einer Attosekunde [1] erreicht. Um sie in Echtzeit beobachten zu können, müssen Lichtpulse von vergleichbarer Dauer erzeugt werden, um das Phänomen wie durch eine Art fotographische Blende wahrzunehmen.

Bislang konnten solche kurzen Impulse nur durch die Anregung von Elektronen in einem Gas durch einen Laserstrahl erzeugt werden. Die Elektronen senden daraufhin eine Strahlung im extrem ultravioletten Bereich (XUV) aus, die dann analysiert werden kann. Jedoch stößt dieses Verfahren an seine Grenzen: Zur Beobachtung bestimmter Ereignisse, z.B. elektronischer Prozesse innerhalb eines Materials, benötigen die Forscher noch kürzere und energiereichere Quellen.

In Zusammenarbeit mit dem CEA-Iramis [2] und dem LULI [3] ist es Forschern des Labors für angewandte Optik (LOA) [4] zum ersten Mal gelungen, durch die gezielte Beschleunigung und Steuerung von Elektronen in einem Plasma reproduzierbare Attosekundenpulse zu erzeugen. Die Elektronen regen das Plasma an, das wiederum ultrakurze elektromagnetische Impulse im extrem ultravioletten Bereich aussendet [5].

Um dieses Ziel zu erreichen, haben die Forscher zunächst eine leistungsstarke Laserquelle mit einer 1.000 bis 10.000fach höheren Strahlungsstärke als in einem gasförmigen Medium entwickelt. Diese Laserquelle sendet außerdem ca. 1.000 gleichmäßige Impulse pro Sekunde mit einer Dauer von jeweils einigen Femtosekunden [1] aus. Die Forscher haben die gesamte Strahlungsstärke auf einen Punkt von einem Mikrometer Durchmesser auf einer Silizium-Oberfläche konzentriert. Damit wird das Zielmaterial in ein Plasma umgewandelt, dessen Dichte mit der eines Festkörpers vergleichbar ist. In diesem Plasma werden die Elektronen durch das elektromagnetische Feld stark beschleunigt, das vom Laserstrahl erzeugt wurde. So wird eine XUV-Strahlung mit Pulsen im Attosekundenbereich erzielt, die die Forscher beobachten und mit Hilfe eines Spektrometers analysieren können.

In einem nächsten Schritt wollen die Forscher ihre Laserquelle verbessern, um noch kürzere Pulse mit einer kürzeren Wellenlänge im Röntgenbereich zu erzeugen.

[1] Eine Attosekunde (1 as) entspricht einem trillionstel Teil einer Sekunde, d.h. 1 as = 10^(-18) s.
Eine Femtosekunde (1 fs) entspricht einem billiardstel Teil einer Sekunde, d.h. 1 fs = 10^(-15) s.
[2] Weitere Informationen über das CEA-Iramis: http://iramis.cea.fr/
[3] Weitere Informationen zum LULI - internationale Großforschungseinrichtung zur Erforschung der Wechselwirkung von Laserstrahlen und Materie bei hohen Energien im Süden von Paris - unter: http://www.luli.polytechnique.fr/
[4] Weitere Informationen über das Labor für angewandte Optik (LOA) unter: http://loa.ensta-paristech.fr/
[5] Diese Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift "Nature Physics" veröffentlicht und sind unter folgendem Link abrufbar: http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys2269.html

Quelle: