Attosekunden – der Knall-Laser

Ich hatte in meinem letzten Laserartikel geschrieben, dass sich mit Hochleistungs-Lasern Röntgenstrahlung erzeugen lässt. Das spannende an dieser Anwendung ist, dass sich so auch die kürzesten Laserimpulse erzeugen lassen. Im Bereich von hunderten Attosekunden sind sie zehn bis hundert Mal kürzer als die kürzesten Femtosekunden-Laser.

Ein Wellen-Zyklus eines Infrarotlasers auf Titan-Saphir-Basis ist etwa drei Femtosekunden lang. Kürzer kann solch ein Laser nicht sein. Er ist aber stark genug um Edelgasatomen Elektronen zu entreißen und diese im nächsten Halbzyklus wieder auf die Atomrümpfe zurückzuschleudern. Bei der Wiedervereinigung von Elektron und Atomrumpf entsteht jedesmal ein kurzer Lichtblitz hoher Energie. Dieser Lichtblitz ist mit einem Knall vergleichbar: Er enthält ein chaotisches Spektrum vieler Wellenlängen im Bereich von etwa zehn Nanometern, also im Extrem-Ultraviolett-Bereich.1

Aus Knall wird Laser

Viele ultrakurze, extrem-ultraviolette Lichtblitze wären technisch bereits eine nützliche Sache. Man kann zeitlich hochaufgelöste Spektroskopie damit betreiben. Es kommt aber noch besser: Aus einem Gas unzähliger Atome kommt bei dieser Methode nicht nur thermische Strahlung wie bei einer Glühbirne heraus. Die Strahlung hat Laser-Eigenschaften: Eine klar definierte Strahlrichtung und ein sauberes Spektrum von Wellenlängen.

Der Grund dafür ist, dass die optischen Knalle nicht zufällig in der Gaswolke auftreten, sondern stets dort, wo der anregende Laserimpuls gerade durch läuft. Wir haben es also mit einer Anregungswelle zu tun, ähnlich einer La-Ola-Welle im Fußballstadion. Und so wie das einzelne Auf-und-Nieder eines angetrunkenen Fußballfans wenig koordiniert wirkt, die Welle von außen aber elegant sein kann, so entsteht auch hier durch die konzertierte Aktion vieler Atome insgesamt ein geordneter Prozess.

Stimulierte Emission

Farbstofflaser in Natriumdampf

Leider ist nicht jeder Laser so gut sichtbar, wie dieser Flüssig-Farbstofflaser in Natrium-Dampf

“Laser” bedeutet Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung2. Genau das ist, was hier passiert: Während die ersten paar Atome noch eher unkoordiniert in alle Richtungen strahlen, sehen die Atome, bei denen der anregende Laserimpuls später ankommt, nicht nur den Infrarot-Laser, sondern auch das schon erzeugte Extrem-Ultraviolett der vorhergehenden Atome.

Schaubild Stimulierte Emission

Stimulierte Emission: Ein angeregtes Atom verdoppelt einlaufende Photonen.

Nun neigen angeregte Atome dazu, nicht nur dazu, spontan in alle Richtungen zu leuchten, sondern auch existierende Lichtfelder zu verstärken. Genau das ist stimulierte Emission. Sie ist proportional zum Bereits vorhandenen Lichtfeld.

So entsteht im atomaren Gas eine Art Lawine: Die durchlaufende Infrarot-Impuls erzeugt hoch angeregte Elektronenzustände, die spontan Extrem-Ultraviolett strahlen können. Je stärker aber das Extrem-Ultraviolett-Feld schon ist, desto eher reißt es weitere Photonen der angeregten Atome mit. Ein kurzer, intensiver Laser-Impuls baut sich auf. Er ist stark gerichtet und unter eine Femtosekunde kurz. Ein Attosekunden-Laser.

Nützlich ist dabei auch, dass jeder Attosekunden-Impuls exakt mit dem erzeugenden Femtosekunden-Infrarotlaser synchron ist. Damit lassen sich präzise zeitaufgelöste Experimente gestalten.

Anmerkungen:
1. Oben habe ich das der Einfachheit wegen einfach als Röntgenstrahlung bezeichnet. Extrem-Ultraviolett ist bereits ionisierende Strahlung
2. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Veröffentlicht von

www.quantenwelt.de/

Joachim Schulz ist Gruppenleiter für Probenumgebung an der European XFEL GmbH in Schenefeld bei Hamburg. Seine wissenschaftliche Laufbahn begann in der Quantenoptik, in der er die Wechselwirkung einzelner Atome mit Laserfeldern untersucht hat. Sie führte ihn unter anderem zur Atomphysik mit Synchrotronstrahlung und Clusterphysik mit Freie-Elektronen Lasern. Vier Jahre hat er am Centre for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg Experimente zur kohärenten Röntgenbeugung an Biomolekülen geplant, aufgebaut und durchgeführt. In seiner Freizeit schreibt er zum Beispiel hier im Blog oder an seiner Homepage "Joachims Quantenwelt".

8 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Laserartige Attosekundenstrahlung kann scheinbar schon einige Zeit erzeugt werden, doch erst mit Erzeugungsmethoden wie Synchrotronstrahlung oder freien Elektronenlasern erreicht die Attosekundenstrahlung eine befriedigende, genügend hohe Intensität um damit atomare/chemische Vorgänge im Attosekundenbereich untersuchen zu können.

    • Naja, Freie-Elektronen-Laser sind bisher noch nicht in den Atto-Sekunden-Bereich vorgedrungen. Es gibt aber vielversprechende Simulationen dazu. Synchrotrone werden im Bereich ultra hoher Zeitauflösung eher keine Rolle spielen.

      Nein, in diesem Feld sind uns die optischen Laser eine gute Nasenlänge voraus. Das muss ihnen der Neid einmal lassen.

      • Der Attosekundenbereich scheint mit der Kombination eines freien Elektronenlasers der Röntgenstrahlung emittiert mit einem Infrarot-Laser über mehrere Verstärkerstufen erreichbar zu sein wie man in temporally-coherent terawatt attosecond XFEL synchronized with a few cycle laser liest:

        Here, we propose a scheme for a terawatt attosecond (TW-as) X-ray pulse in X-ray free-electron laser controlled by a few cycle IR pulse, where one dominant current spike in an electron bunch is used repeatedly to amplify a seeded radiation to a terawatt level.

        Als Resultat erhält man im Simulator folgendes:

        To demonstrate the applicability of our method in the hard X-ray regime, we produce an isolated 100 attosecond FWHM, 1 TW pulse at 12.4 keV (~0.1 nm) within a 50 m long undulator. This attosecond X-ray pulse has excellent temporal and spectral structure properties. Our scheme is straight-forward to implement and can be adapted to the existing FEL facilities and also leads to a substantial reduction in cost due to the use of a short undulator.

        Gut, wenn man von Attosekundenlaser spricht, meint man eigentlich meist Subfemtosekundenlaser. Im obigen Beispiel ist die Pulänge 100 Attosekunden.

        • Ja, wir werden sehen, welche Facility solch ein Schema am Ende einsetzten wird. Es gibt eine ganze Reihe Vorschläge, wie FELs modifiziert werden können und nur eine Hand voll wird sich in den nächsten Jahren realisieren lassen.

          Sub-Femtosekunden-Laser wäre wohl ehrlicher. Ein Vortragender drückte es mal so aus: Wir lieben Attosekunden so sehr, dass wir sie in hunderten verwenden.

  2. Endlich richtig dran am tatsächlichen Puls der Zeit.

    Vermutlich wird der gemeine Steuerzahler welcher dies alles finanziert nicht viele Ergebnisse erhalten, weil die Konzerne in den Forschungstätten sich aufgepropft haben. Was von dem STED Mikroskop rüber kommt ist ja auch spärlich. Nicht vergessen ist auch nicht wie schnell es ging in Grenoble dass nichts mehr rauskam.

    • Hier sind noch einige Verschwörungstheorien zum Üben:
      1. Bin Laden:
      In Afghanistan und Umgebung gibt es bestimmt dutzende Männer, die Bin Laden täuschend ähnlich sehen, und die täuschend ähnliche politische Meinungen wie Bin Laden haben.
      Die Marines haben in Pakistan nur einen der vielen Doppelgänger von Bin Laden getötet.
      Der Übertrick der al-Qaida ist aber dabei:
      Es hat nie einen Original „Bin Laden“ existiert.
      Das war nur eine Sockenpuppe um die USA ins Leere laufen zu lassen.
      2. Roswell:
      Von allen offiziellen Stellen wird dementiert, dass am 14. Juni 1947 über Roswell (New Mexico) ein unbekanntes Flugobjekt abgestürzt sein soll.
      Am 9. Februar 1951 entdeckte man die ersten völlig unsterblichen menschlichen Zellen, die HeLa-Zellen.
      Als Kulturmedium (Züchtungsflüssigkeit) wird für solche und ähnliche Zellen sehr oft RPMI 1640 verwendet.
      RPMI bedeutet Roswell Park Memorial Institute (echt kein Scherz).
      3. Chemtrails:
      In der chemischen Schule lernte ich schon in den Jahren 1961 bis 1964, dass sowohl Tetraethylblei, als auch Ethanol als Antiklopfmittel für Ottokraftstoffe geeignet sind.
      Das Tetraethylblei hat gegenüber dem Ethanol den Nachteil, dass es giftige Abgase erzeugt, und den Vorteil, dass es ein klein wenig billiger ist (bezogen auf die Antiklopfwirkung).
      Nur deshalb hat man bis zum Jahre 1990 wissentlich die Umwelt und die Menschen mit bleihaltigen Abgasen vergiftet.

  3. Hallo Herr Schulz, danke für die Beantwortung meiner früher gestellten Frage.
    Offenbar gilt die Quantisierung der Energie in Bezug auf die Frequenz dann nicht, wenn einfach sehr viel mehr Energie vorhanden ist.

    • Und Ihnen vielen Dank für die Anregung.

      Ja, die Elektronen sind bei diesem Prozess für einen Augenblick praktisch frei. Für freie Elektronen gibt es keine strengen Übergänge. Durch den kohärenten Prozess sind die erzeugten Wellenlängen harmonische der Anregungswelle. Mann kann also eine Frequenzvervielfachung beobachten und damit eine Art Verschmelzung mehrerer Photonen zu einem annehmen. Tatsächlich ist das ganze aber ein Viel-Teilchen-Prozess, der sich in obigem Wellenbild besser beschreiben lässt.

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