Rekordleistung bei Laserpulsen

Bei dem Wort Laser denkt man meist an einen stark geb¨¹ndelten und kontinuierlichen Lichtstrahl. Laser, die solches Licht erzeugen, sind tats?chlich sehr n¨¹tzlich und weit verbreitet. Oftmals aber ben?tigen Wissenschaft und Industrie auch sehr kurze und starke Pulse aus Laserlicht. Damit k?nnen Materialien bearbeitet oder hohe harmonische Frequenzen bis hin zu R?ntgenstrahlen erzeugt werden, mit denen man extrem schnelle Prozesse im Attosekundenbereich (Milliardstel einer Milliardstel Sekunde) sichtbar machen kann.

Forschende der ETH Z¨¹rich um Ursula Keller, Professorin am Institut f¨¹r Quantenelektronik, haben nun einen neuen Rekord f¨¹r solche Laserpulse aufgestellt: Mit bis zu 550 Watt mittlerer Leistung ¨¹berbieten sie den bisherigen H?chstwert um mehr als 50 Prozent und sind damit die st?rksten, die je in einem Laser-Oszillator erzeugt wurden. Gleichzeitig sind sie mit weniger als einer Pikosekunde ¨C also dem Millionsten Teil einer Millionstel Sekunde ¨C extrem kurz und verlassen den Laser in regelm?ssiger Abfolge mit einer hohen Rate von f¨¹nf Millionen Pulsen pro Sekunde. Die Leistung der kurzen Pulse erreicht dabei Spitzen von 100 Megawatt (womit man theoretisch kurzzeitig 100.000 Staubsauger betreiben k?nnte). Ihre Ergebnisse haben die Forschenden k¨¹rzlich im Fachjournal Optica ver?ffentlicht.

Kellers Forschungsgruppe arbeitet seit 25 Jahren an der stetigen Verbesserung so genannter kurzgepulster Scheibenlaser, in denen das Lasermaterial aus einer nur 100 Mikrometer d¨¹nnen Scheibe eines Kristalls besteht, der Ytterbium-Atome enth?lt.

Immer wieder stiessen Keller und ihre Mitarbeitenden dabei auf neue Probleme, die zun?chst die weitere Erh?hung der Leistung verhinderten. Nicht selten kam es dabei zu spektakul?ren Zwischenf?llen, bei denen unterschiedliche Teile innerhalb des Lasers zerst?rt wurden. Die L?sung der Probleme hat immer wieder zu neuen Erkenntnissen gef¨¹hrt, welche die auch in der Industrie beliebten kurzgepulsten Laser zuverl?ssiger gemacht haben.

?Die jetzt erreichte Kombination aus noch h?herer Leistung mit Pulsraten von 5.5 Megahertz beruht auf zwei Neuerungen?, erkl?rt Moritz Seidel, Doktorand in Kellers Labor. Zum einen verwendeten er und seine Kollegen eine spezielle Anordnung von Spiegeln, die das Licht im Laser mehrmals durch die Scheibe leiten, bevor es den Laser durch einen Auskopplungs-Spiegel verl?sst. ?Diese Anordnung erlaubt es uns, das Licht extrem zu verst?rken, ohne dass der Laser instabil wird?, sagt Seidel.

Die zweite Neuerung betrifft das Herzst¨¹ck des gepulsten Lasers: ein spezieller Spiegel aus Halbleitermaterial, den Keller bereits vor dreissig Jahren erfand und der unter der eing?ngigen Abk¨¹rzung SESAM (Semiconductor Saturable Absorber Mirror) bekannt ist. Anders als bei normalen Spiegeln h?ngt bei einem SESAM die Reflektivit?t davon ab, wie stark das Licht ist, das auf ihn trifft.

Pulse dank SESAM

Mit dem SESAM bringen die Forschenden ihren Laser dazu, anstelle eines kontinuierlichen Strahls kurze Pulse auszusenden. Pulse haben deshalb eine h?here Intensit?t, weil ihn ihnen die Lichtenergie in sehr kurzer Zeit konzentriert ist. Damit ein Laser ¨¹berhaupt Laserlicht aussendet, muss die Lichtintensit?t in seinem Inneren einen bestimmten Schwellenwert ¨¹berschreiten. Hier kommt der SESAM ins Spiel: Er wirft das Licht, das die verst?rkende Scheibe mehrmals durchlaufen hat, besonders effizient zur¨¹ck, wenn die Lichtintensit?t hoch ist. Dadurch geht der Laser automatisch in einen gepulsten Zustand ¨¹ber.

?Pulse mit ?hnlich hohen Leistungen wie den jetzt von uns erreichten konnte man bisher nur erzeugen, indem man schw?chere Laserpulse durch mehrere separate Verst?rker ausserhalb des Lasers schickte?, sagt Seidel. Das hat aber den Nachteil, dass die Verst?rkung auch zu st?rkerem Rauschen f¨¹hrt, also einer Schwankung in der Leistung, die vor allem bei Pr?zisionsmessungen problematisch ist. Um die hohe Leistung direkt mit dem Laser-Oszillator zu erzeugen, mussten die Forschenden einige knifflige technische Probleme l?sen ¨C zum Beispiel, wie sie auf die Halbleiterschicht des SESAM-Spiegels ein d¨¹nnes Fenster aus Saphir aufbringen, welches die Eigenschaften des Spiegels stark verbessert. ?Als das endlich geklappt hat und wir beobachten konnten, wie der Laser Pulse erzeugte ¨C das war schon cool?, freut sich Seidel.

Alternative zu Verst?rkern

Auch Ursula Keller ist von diesen Ergebnissen begeistert und betont: ?Die Unterst¨¹tzung der ETH Z¨¹rich ¨¹ber die Jahre sowie die zuverl?ssige Finanzierung meiner Forschung durch den Schweizerischen Nationalfonds haben meinen Mitarbeitenden und mir dabei geholfen, dieses grossartige Resultat zu erzielen. Wir erwarten nun auch, dass wir mit diesen hohen Leistungen die Pulse sehr effizient in den Bereich von wenigen Zyklen verk¨¹rzen k?nnen, was f¨¹r die Erzeugung von Attosekundenpulsen sehr wichtig ist.?

Weitere Anwendungen der kurzen, schnellen und starken Pulse, die mit dem neuen Laser m?glich werden, sieht Keller unter anderem in neuen so genannten Frequenzk?mmen im Ultraviolett- bis R?ntgenbereich, die Uhren noch genauer machen k?nnten. ?Ein Traum w?re es, wenn wir mit solchen extrem pr?zisen Uhren einmal messen k?nnten, dass die Naturkonstanten doch nicht konstant sind?, sagt Keller. Auch Terahertz-Strahlung, die viel langwelliger ist als sichtbares Licht oder Infrarotlicht, kann mit dem Laser erzeugt und etwa f¨¹r die ?berpr¨¹fung von Materialien verwendet werden. ?Insgesamt kann man sagen, dass wir mit unserem gepulsten Laser zeigen, dass Laser-Oszillatoren eine gute Alternative zu Lasersystemen mit Verst?rkern sind und neue und bessere Messungen erm?glichen?, fasst Keller zusammen.