Rekordeffizienz von Lichtquellen für extremes Ultraviolett
Zeitauflösung ist der Schlüssel für das Studium der Elektronendynamik in Echtzeit. Mit dem Aufkommen von Ultrakurzpulslasern, waren Wissenschaftler in der Lage, eine noch nie dagewesene Erfassung von Momenten in der Zeit zu tätigen, zu studieren und komplexe Prozesse zu steuern, die in der Natur im Attosekundenmaßstab vorkommen. Eine Methode, um Attosekunden-Lichtimpulse erzeugen, ist, einen extrem leistungsfähigen gepulsten Laser auf ein Ensemble aus Edelgasatomen zu konzentrieren. Angetrieben durch das starke elektrische Feld eines hochharmonischen Laserstrahl, kollidieren und rekombinieren sich freie Elektronen und Ionen und erzeugen Attosekundenblitze, die im EUV-Bereich liegen können. Obwohl die Generation von Hohen Harmonischen (High-Harmonic Generation, HHG) eine kohärente Quelle für EUV-Strahlung liefert, hat sie sich traditionell auf verstärkte Hochenergie-Lasersysteme mit niedriger Wiederholungsrate verlassen, um Spitzenintensitäten bereitzustellen, die für die Ionisierung des Gasziels benötigt werden. Die geringe Umwandlungseffizienz des Prozesses in Kombination mit der geringen Wiederholungsrate des Verstärkers führt zu geringen mittleren Leistungen der EUV-Generation. Innerhalb des Projekts PECS (Powerful and efficient EUV coherent light sources) erzielten Wissenschaftler radikale Verbesserungen beim durchschnittlichen Leistungsumwandlungswirkungsgrad, während die Kosten und die Größe des Systems reduziert werden konnte. In der frühen Forschungsphase arbeitete das Team an der Gestaltung von Large-Mode-Area-Fasern (LMA-Fasern), führten Machbarkeitsexperimente für kohärente Femtosekundenpulse durch und stellten eine hohe harmonische Kammer auf, die in der Lage ist mit mittleren Leistungen der übern 100 µW umzugehen. Im Anschluss an diese Aktivitäten legte Wissenschaftler einen starken Fokus auf das Verständnis modaler Instabilitäten in Hochleistungsfaserverstärkern, räumlich getrennter Verstärkung ultrakurzer Laserpulse und EUV-Generation auf der Attosekunden-Skala. Sie gewannen auch neue Einblicke in das Zusammenspiel hoch-durchschnittlicher Leistungslaser und parametrischer Verstärker. Bezogen auf die theoretische Forschung und experimentelle Aktivitäten, behaupteten die Projektmitglieder, das stärkste optische parametrische Verstärkungssystem gechirpter Pulse weltweit produziert zu haben. Dieses einzigartige System verbesserte die HHG-Effizienz erheblich, so dass die Erzeugung von räumlich getrennten Attosekundenpulsen bei Repetitionsraten von 1 MHz möglich wurde. Diese Zahl ist mindestens 200-mal höher als die Zahlen, die in der Literatur erwähnt werden. Die ideale kohärente und hochintensive Lichtquelle von PECS hat wichtige Implikationen für EUV-Anwendungen im Hinblick auf das Aufklären physikalischer, chemischer und biologischer Prozesse, die an sich dynamisch sind.
Schlüsselbegriffe
Lichtquellen, extremes Ultraviolett, Ultrakurzpulslaser, High-Harmonic Generation, PECS
