Ein neuer Laseroszillator erzeugt extrem kurze Pulse mit einer bislang unerreicht hohen Leistung – ohne Qualitätsverluste durch Verstärker. Das könnte bei Präzisionsmessungen und in der Materialforschung helfen.
In der Praxis werden der Laserquelle oftmals Verstärker nachgeschaltet. Damit lassen sich hohe mittlere Leistungen erreichen, doch das hat seinen Preis: Zugleich wächst der Anteil unerwünschter Wellenlängen im ausgesandten Licht und seine Leistung schwankt mehr. Problematisch ist das vor allem für Präzisionsmessungen.
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Ein Team der ETH Zürich hat mit einem neu entwickelten Laser extrem intensive Pulse erzeugt: Die 852 Femtosekunden kurzen Lichtblitze waren bis zu 103 Megawatt stark. Im Mittel betrug die Ausgangsleistung 550 Watt; der bisherige Rekord in einem Laseroszillator lag bei 350 Watt, wie das Team um Ursula Keller im Fachjournal «Optica» darlegt.
Mehr als fünf Millionen solcher Pulse verlassen den Laser pro Sekunde. Im Gegensatz zu Dauerstrichlasern, die kontinuierlich Photonen emittieren, geben Pulslaser die Strahlung periodisch ab und bündeln dabei besonders viel Energie auf die einzelnen Pulse. Solche Laser können extrem schnelle Prozesse sichtbar machen, bis in den Bereich von Attosekunden. Auf diesen Zeitskalen bewegen sich Elektronen durch Moleküle, so dass sich chemische oder biologische Vorgänge auf fundamentaler Ebene beobachten lassen.
Forschende arbeiten deswegen an besonders leistungsstarken Oszillatoren. Solche Laser erzeugen und verstärken die Strahlung direkt im Gerät und bedürfen keiner nachträglichen Verstärkung. Als besonders geeignet haben sich dabei Scheibenlaser erwiesen, wie sie auch Ursula Keller und ihr Team einsetzen. Bei ihrem Aufbau besteht das Lasermaterial aus einer 100 Mikrometer dünnen Kristallscheibe. Speziell angeordnete Spiegel leiten das Licht mehrmals hindurch und verstärken es so.
Die nun erreichten Rekordleistungen verdankt die Arbeitsgruppe zwei entscheidenden Fortschritten bei den optischen Komponenten. Zum einen leitete das Team mittels geschickt angeordneter Spiegel das Licht besonders oft durch die verstärkende Scheibe. Zum anderen verwendete es einen speziellen Spiegel aus einem Halbleitermaterial. Er reflektiert das Licht aus der Scheibe besser, wenn dessen Intensität hoch ist. Das brachte den Laser automatisch in einen gepulsten Zustand. Dank einer speziellen Oberflächenbehandlung erholte sich der Spiegel nach der Abgabe eines Pulses besser – derart hohe Intensitäten zerstören immer mal wieder einzelne Bauteile, die der Energie nicht standhalten.
In der Bildmitte steht der Laser; davor aufgebaute Linsen und Spiegel reflektieren den Laserstrahl und leiten ihn um. Quelle: Moritz Seidel / ETH Zürich
Neben der hohen mittleren Leistung sorgten die Forschenden mit diesem Aufbau für weitere Superlative. So ist die Pulsenergie von 100 Mikrojoule die höchste jemals an einem ultraschnellen Oszillator gemessene; der Rekordwert lag bislang bei 80 Mikrojoule. Das Team hofft, mit dem neuen Laser einerseits bessere Präzisionsmessungen in der Grundlagenforschung zu ermöglichen. Andererseits eigne sich die Entwicklung gut für industrielle Anwendungen, schreiben sie in ihrer Veröffentlichung, denn die Mikromaterialbearbeitung etwa bei Metallen und Halbleitern erfordere genau solche kurzen, energiereichen Pulse.
