Nichtlineare und extreme Lichterzeugung
Erzeugung hoher Harmonischer
Eine der anspruchsvollsten Anwendungen hochenergetischer Femtosekundenpulse ist die Erzeugung hoher Harmonischer.
Produktbeschreibung
Was ist die Erzeugung hoher Harmonischer?
Eine der anspruchsvollsten und faszinierendsten Anwendungen hochenergetischer Femtosekundenpulse ist der Prozess der Erzeugung hoher Harmonischer (HHG). Durch Fokussierung intensiver Laserpulse in ein Gastarget lassen sich Harmonische weit höherer Ordnung erzeugen, als mit herkömmlichen festkörperbasierten nichtlinearen Materialien möglich ist – bis weit ins extreme Ultraviolett (EUV) oder sogar in den Bereich der weichen Röntgenstrahlung. Zugleich können die resultierenden Pulse dank der großen Bandbreite und der kurzen Wellenlänge sogar bis in den Attosekundenbereich reichen.
Drei-Schritt-Modell
Im Allgemeinen lässt sich die Erzeugung hoher Harmonischer durch ein vereinfachtes semiklassisches Drei-Schritt-Modell beschreiben. Zuerst unterdrückt ein intensives Laserfeld vorübergehend das Coulomb-Potenzial eines Atoms. Anschließend kann ein elektronisches Wellenpaket ins Kontinuum tunneln und wird vom treibenden Laserfeld beschleunigt. Kehrt das treibende Laserfeld um, wird das elektronische Wellenpaket zum Atomrumpf zurückgezogen und interferiert mit dem verbliebenen gebundenen elektronischen Wellenpaket im Grundzustand des Systems. Die Interferenz führt zu einem Burst kohärenter Photonen mit Photonenenergien von einigen zehn bis zu einigen tausend Elektronvolt (eV). Da sich dieser Prozess in jedem Halbzyklus des Laserfeldes wiederholt, führt die Interferenz aufeinanderfolgender Pulse zu ungeraden hohen Harmonischen der Fundamentalfrequenz und im Zeitbereich zu einem Attosekunden-Pulszug.
Intensitäten und Wiederholrate
Die Erzeugung hoher Harmonischer erfordert typischerweise Laserintensitäten in der Größenordnung von 10¹⁴ W/cm², um das Coulomb-Potenzial zu verzerren, sodass das Elektron heraustunneln und auf hohe Energien beschleunigt werden kann. Derartige Felder werden üblicherweise mit Systemen hoher Spitzenleistung erzeugt, etwa mit Systemen zur optisch-parametrischen Chirped-Pulse-Verstärkung (OPCPA). Die Erzeugung hoher Harmonischer wurde jedoch auch mit direkter Fundamentalstrahlung der Femtosekundenlaser CARBIDE und PHAROS nachgewiesen. Yb-basierte Laserquellen sind wegen ihrer hohen Wiederholraten von großem Interesse. Traditionell war die Erzeugung hoher Harmonischer auf niedrige Puls-Wiederholraten beschränkt, die einige Kilohertz nicht überschritten. Viele wissenschaftliche Anwendungen der Erzeugung hoher Harmonischer könnten von höheren Wiederholraten profitieren. So ist beispielsweise die zeitaufgelöste Photoemissionsspektroskopie durch Ladungseffekte in der Zahl der emittierten Photoelektronen pro Puls begrenzt; die Statistik lässt sich daher nur durch Betrieb bei höheren Wiederholraten verbessern. Die Erzeugung hoher Harmonischer bei 100 kHz wurde mit dem Femtosekundenlaser PHAROS berichtet, wobei dessen Strahlung sowohl in Gaskammer- als auch in Kapillargeometrie fokussiert wurde.
Tabletop-EUV
Tabletop-Lösungen zur Erzeugung ultraschnellen, hochrepetierenden und kohärenten EUV-Lichts ermöglichen Experimente, die zuvor nur an großen Synchrotroneinrichtungen möglich waren. Kompakte Lasersysteme verbessern die Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und Stabilität von Quellen zur Erzeugung hoher Harmonischer.
