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Lasertechnologie steigert Effizienz nichtlinearer Optik

Optische laserbasierte Technologien sind eine Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts. Es werden aber Methoden zur Verbesserung nichtlinearer optischer Prozesse unter Einsatz von ultraschnellen Lasern benötigt. Eine EU-Initiative hat neuartige, fortschrittliche photonische Technologien zur Manipulation und Kontrolle von Materie entwickelt.

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Lasertechnologien sind ein Teil unseres täglichen Lebens. Sie bieten ein breites Spektrum an wissenschaftlichen und kommerziellen Anwendungen in Bereichen wie Physik, Chemie, Technik, Medizin und Informationsverarbeitung. Eine Erweiterung dieser Bereiche legt einen ständigen Ausbau der Zugänglichkeit von Laseroperationen nahe. Konzepte aus nichtlinearen optischen Prozessen bieten alle Möglichkeiten, dieses Ziel zu erreichen. Nichtlineare Optik leidet jedoch typischerweise unter begrenzten Wirkungsgraden. Thomas Halfmann, Koordinator des von der EU geförderten Projekts High Intensity Coherent Nonlinear Optics, (HICONO) und Physik-Professor an der Technischen Universität Darmstadt erläutert den Projektansatz: „Wir haben die entsprechenden theoretischen Grundlagen gelegt und neue Mechanismen zur Kontrolle von Atomen und Molekülen durch intensive Laser experimentell bestätigt.“

Jenseits modernster ultraschneller Laserphysik und nichtlinearer Optik

HICONO hat neue optische Technologien entwickelt, um superschnelle Lichtpulse auf einer Zeitskala von Femtosekunden (Millionstel einer Milliardstel Sekunde) und darunter zu erzeugen und zu messen. Im Rahmen des Projekts wurden auch neue Techniken für die Lasermikroskopie entwickelt und kommerziell verfügbare Werkzeuge für hochpräzise Abstandsmessung implementiert. „Wir haben neue Interaktionsmechanismen von intensivem Licht mit Materie eingeführt und angewendet, um helle Quellen in neuen Wellenlängenregimen gegenüber extremer ultravioletter Strahlung bereitzustellen", erklärt Halfmann. Dies ermöglicht die Überwachung superschneller Prozesse im mikroskopischen Bereich.“ Insbesondere haben die Forscherinnen und Forscher mikroskopische, physische und chemische Prozesse mit einer noch nie dagewesenen zeitlichen Auflösung beobachtet – auf einer Zeitskala von Attosekunden (Trillionstel einer Sekunde). „Auf diese Weise waren Einblicke in bisher wenige bekannte Prozesse möglich, da für die kurze Zeitskala und die große räumliche Auflösung keine Technik zur Verfügung stand“, bemerkt Halfmann. Darüber hinaus haben die Forscherinnen und Forscher neue Wege zur Verbesserung der Helligkeit von Lasern bei sehr kurzen Wellenlängen untersucht, die weit unterhalb von ultravioletten Wellenlängen liegen. Solche kurzen Wellenlängen sind für die Laser-Lithographie und damit für die Herstellung kleinster Strukturen wie auf elektronischen Mikrochips wichtig.

Technologie für die Messung von Charakterisierung komplexer Lichtfelder

Schließlich entwickelte das HICONO-Team technische Werkzeuge mit kommerziellem Potenzial, mit denen beliebig komplexe, ultraschnelle Lichtpulse gemessen oder Distanzmessungen auf der Skala von einem Nanometer (einem Milliardstel Meter) möglich sind. „Dies ist für die industrielle angewandte Optik in Bereichen wie Physik, Chemie, Medizin und Technik von großem Interesse, da optische Elemente von höchster Qualität erstellt werden können“, stellt Halfmann fest. Die Forschungsarbeiten im Projekt HICONO haben zwei kommerzielle Produkte für die Charakterisierung ultraschneller Laserpulse im mittleren Infrarotbereich und für ultrapräzise Abstandmessungen hervorgebracht. „Die Entwicklung neuer Techniken zur Messung ultraschneller Prozesse wird es den Forscherinnen und Forschern ermöglichen, Systeme und Dynamiken zu untersuchen, die bisher nicht zugänglich waren“, fährt Halfmann fort. „Insbesondere rechnen wir mit neuen Erkenntnissen über komplexe chemische und biochemische Prozesse, die langfristig zu neuen Entwicklungen in der Medizin, den Biowissenschaften oder der Pharmakologie führen können.“ Das Projekt hat ebenfalls einen Beitrag zu dem expandierenden und schnell wachsenden Bereich der photonischen Technologien geleistet. Dazu wurden 10 Nachwuchsforscherinnen und -forscher mit entsprechenden Fähigkeiten ausgebildet, um die Konzepte von Lasertechnologien mit hoher Intensität, laserbasierter Steuerung und angewandter nichtlinearer Optik zu nutzen. Diese Forschung wurde im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen gefördert.

Schlüsselbegriffe

HICONO, Laser, nichtlineare Optik, Wellenlänge, nichtlineare optische Prozesse, Lichtpulse, photonische Technologien

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