Forscher entwickeln Laser, der die bislang leistungsstärksten ultrakurzen Laserpulse erzeugt

Beim Wort Laser denkt man im Allgemeinen an einen hochkonzentrierten und kontinuierlichen Lichtstrahl. Laser, die solches Licht erzeugen, sind tatsächlich sehr verbreitet und nützlich. Allerdings benötigen Wissenschaft und Industrie oft sehr kurze, leistungsstarke Laserlichtimpulse.

Mit diesen Impulsen lassen sich Materialien bearbeiten oder hohe harmonische Frequenzen bis hin zu Röntgenstrahlen erzeugen, die dazu beitragen können, extrem schnelle Prozesse in der Größenordnung von Attosekunden (einem Milliardstel einer Milliardstelsekunde) sichtbar zu machen.

Ein Forscherteam der ETH Zürich um Ursula Keller, Professorin am Institut für Quantenelektronik, hat einen neuen Rekord für solche Laserpulse aufgestellt: Mit einer durchschnittlichen Leistung von 550 Watt übertreffen sie das bisherige Maximum um mehr als 50 Prozent. Damit sind dies die stärksten Impulse, die jemals von einem Laseroszillator erzeugt wurden.

Gleichzeitig sind sie extrem kurz – sie dauern weniger als eine Pikosekunde, also ein Millionstel einer Millionstelsekunde – und verlassen den Laser in regelmäßiger Folge mit einer hohen Rate von fünf Millionen Impulsen pro Sekunde. Die kurzen Impulse erreichen Spitzenleistungen von 100 Megawatt (was theoretisch ausreichen würde, um 100.000 Staubsauger kurzzeitig anzutreiben).

Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher kürzlich in der Fachzeitschrift Optisch.

Kellers Forschungsgruppe hat in den letzten 25 Jahren an der kontinuierlichen Verbesserung sogenannter Kurzpuls-Scheibenlaser gearbeitet, bei denen das Lasermaterial aus einer nur 100 Mikrometer dicken dünnen Scheibe eines Kristalls besteht, die Ytterbiumatome enthält.

Immer wieder stießen Keller und seine Kollegen auf neue Probleme, die einen weiteren Machtzuwachs zunächst verhinderten. Nicht selten kam es zu spektakulären Zwischenfällen, bei denen verschiedene Teile im Inneren des Lasers zerstört wurden. Die Lösung dieser Probleme führte zu neuen Erkenntnissen, die die auch in industriellen Anwendungen beliebte Kurzpulslaser zuverlässiger machten.

„Die Kombination aus noch höherer Leistung und einer Pulsfrequenz von 5,5 Megahertz, die wir jetzt erreicht haben, basiert auf zwei Innovationen“, erklärt Moritz Seidel, Doktor der Naturwissenschaften und Technik. Student in Kellers Labor. Einerseits verwendeten er und seine Kollegen eine spezielle Anordnung von Spiegeln, die das Licht im Inneren des Lasers mehrmals durch die Scheibe schicken, bevor es den Laser durch einen Auskoppelspiegel verlässt.

„Durch diese Anordnung können wir das Licht deutlich verstärken, ohne dass der Laser instabil wird“, erklärt Seidel.

Die zweite Neuerung betrifft das Herzstück des gepulsten Lasers: einen speziellen Spiegel aus Halbleitermaterial, den Keller bereits vor dreißig Jahren erfunden hat und das einprägsame Kürzel SESAM (Semiconductor Saturable Absorber Mirror) trägt. Im Gegensatz zu normalen Spiegeln hängt das Reflexionsvermögen eines SESAM von der Stärke des auftreffenden Lichts ab.

Hülsenfrüchte dank SESAM

Mit SESAM bringen Forscher ihren Laser dazu, kurze Impulse statt eines kontinuierlichen Strahls auszusenden. Die Impulse haben eine höhere Intensität, da die Lichtenergie über einen kürzeren Zeitraum konzentriert wird. Damit ein Laser Laserlicht aussendet, muss die Lichtintensität im Inneren einen bestimmten Schwellenwert überschreiten.

Hier kommt SESAM ins Spiel: Es reflektiert das Licht, das die Verstärkerscheibe bereits mehrfach durchlaufen hat, besonders effektiv, wenn die Lichtintensität hoch ist. Anschließend wechselt der Laser automatisch in den Pulsmodus.

„Bisher konnte man Pulse mit vergleichbarer Leistung wie bei uns nur dadurch erreichen, dass man schwächere Laserpulse durch mehrere separate Verstärker außerhalb des Lasers schickt“, erklärt Seidel.

Der Nachteil besteht darin, dass durch die Verstärkung auch mehr Rauschen aufgrund von Leistungsschwankungen entsteht, was insbesondere bei Präzisionsmessungen Probleme bereitet.

Um diese hohe Leistung direkt mit dem Laseroszillator zu erzeugen, mussten die Forscher eine Reihe kniffliger technischer Probleme lösen, beispielsweise wie man ein dünnes Saphirfenster auf der Halbleiterschicht des SESAM-Spiegels anbringt, was die Spiegeleigenschaften deutlich verbessert. .

„Als es dann endlich funktionierte und wir beobachteten, wie der Laser Impulse erzeugte, war das wirklich cool“, sagt Seidel.

Alternative zu Verstärkern

Auch Ursula Keller ist von diesen Ergebnissen begeistert und sagt: „Wir hoffen, diese Pulse sehr effizient innerhalb weniger Zyklen verkürzen zu können, was für die Erzeugung von Attosekundenpulsen sehr wichtig ist.“

Laut Keller könnten die schnellen, starken Pulse, die der neue Laser ermöglicht, auch in neuen Frequenzkämmen im Ultraviolett- bis Röntgenbereich genutzt werden, was zu noch präziseren Uhren führen könnte.

„Ein Traum wäre es, eines Tages zu zeigen, dass Naturkonstanten letztlich nicht konstant sind“, sagt Keller. Darüber hinaus kann mit dem Laser Terahertz-Strahlung erzeugt werden, die eine viel größere Wellenlänge als sichtbares oder infrarotes Licht hat und dann beispielsweise zur Materialprüfung eingesetzt werden kann.

„Insgesamt kann man sagen, dass wir mit unseren Pulslasern gezeigt haben, dass Laseroszillatoren eine gute Alternative zu verstärkerbasierten Lasersystemen sind und neue und bessere Messungen ermöglichen“, sagt Keller.