|
Neue und verbesserte Technik für Röntgenlaserpulse |
 Die Röntgenstrahlung, mit der man im Krankenhaus ein gebrochenes Bein untersucht, ist einfach herzustellen. In der Industrie braucht man aber auch Röntgenstrahlung ganz anderer Art – nämlich möglichst kurze, energiereiche Röntgen-Laserpulse. Man verwendet sie etwa bei der Herstellung von Nanostrukturen und elektronischen Bauteilen, aber auch um den Ablauf chemischer Reaktionen in Echtzeit zu überwachen.
Starke, extrem kurzwellige Röntgenpulse im Wellenlängenbereich von
Nanometern, sind schwierig herzustellen, doch nun entwickelte man an der
TU Wien aber eine neue, einfachere Methode: Der Ausgangspunkt ist nicht
wie bisher ein Titanium-Saphir-Laser, sondern ein Ytterbium-Laser. Der
entscheidende Trick steckt darin, dass man das Licht anschließend durch
ein Gas schickt, um seine Eigenschaften gezielt zu verändern.
Große Wellenlängen führen zu kurzen WellenlängenDie
Wellenlänge eines Laserstrahls hängt vom Material ab, in dem er erzeugt
wird: In den beteiligten Atomen oder Molekülen wechseln Elektronen von
einem Zustand in einen Zustand mit geringerer Energie. Dabei wird ein
Photon ausgesendet – seine Wellenlänge (und somit seine Farbe) hängt
davon ab, wie viel Energie das Elektron bei seinem Zustandswechsel
verloren hat. So kann man unterschiedliche Laserfarben erzeugen – von
rot bis violett.
Wenn man allerdings Laserstrahlen mit noch viel
kleinerer Wellenlänge erzeugen möchte, dann muss man spezielle Tricks
anwenden: Man erzeugt zunächst Laserstrahlen mit großer Wellenlänge und
schießt sie auf Atome. Den Atomen wird ein Elektron entrissen, es wird
im elektrischen Feld des Lasers beschleunigt, kehrt dann wieder um und
stößt wieder mit dem Atom zusammen, aus dem es kam – und dabei kann dann
kurzwellige Röntgenstrahlung entstehen. Diese Technik heißt „High
Harmonic Generation“.
„Die Situation erscheint auf den ersten
Blick etwas kontra-intuititv“, sagt Paolo Carpeggiani vom Institut für
Photonik der TU Wien. „Es zeigt sich nämlich: Je größer die Wellenlänge
des ursprünglichen Laserstrahls, umso kleinere Wellenlängen kann man am
Ende dadurch erzielen.“ Allerdings sinkt dabei auch die Effizienz der
Röntgenstrahlungs-Produktion: Wenn man sehr kurzwellige Strahlung
erzeugen möchte, dann wird ihre Intensität sehr gering.
Ytterbium statt Titanium-Saphir, Gas statt KristallBisher
hat man bei dieser Technologie fast immer Titanium-Saphir-Laser
verwendet und die Wellenlänge ihrer Strahlung dann mit speziellen
Kristallen vergrößert, um damit dann durch High-Harmonic-Generation
möglichst kurzwellige Röntgenstrahlung zu generieren. Das Team an der TU
Wien entwickelte nun aber eine einfachere und gleichzeitig
leistungsfähigere Methode: Man setzte einen Ytterbium-Laser ein. Ein
solcher Laser ist einfacher, billiger und leistungsfähiger ist als ein
Titanium-Saphir-Laser, doch bisher kam man damit bei der Produktion von
Röntgenpulsen nicht an die Ergebnisse von Titanium-Saphir-Lasern heran.
An
der TU Wien wurde die Wellenlänge der Laserstrahlung zunächst
vergrößert, indem man diese Strahlung nicht wie gewöhnlich durch einen
Kristall schickte, sondern durch ein molekulares Gas. „Das erhöht die
Effizienz ganz dramatisch“, sagt Paolo Carpeggiani. „Statt der bisher
üblichen 20% kommen wir auf rund 80%.“
Das dadurch entstehende
Laserlicht kann man dann wie bisher für High-Harmonic-Generation nutzen
um Röntgen-Laserpulse zu erzeugen. „Wir konnten zeigen, dass die neue
Technik von Ytterbium-Lasern, kombiniert mit Gas-basierter
Wellenlängen-Konversion, nicht nur in der Lage ist, Röntgen-Laserpulse
zu erzeugen, sondern das auch noch bei deutlich höherer Effizienz als
bisher gelingt.“ Damit ist es nun einfacher und kostengünstiger,
Röntgenlaser für industrielle Anwendungen oder wissenschaftliche
Untersuchungen zu verwenden.
Den Artikel finden Sie unter:
https://www.tuwien.at/tu-wien/aktuelles/news/news/eine-neue-bessere-technik-fuer-roentgenlaserpulse
Quelle: Technische Universität Wien (01/2023)
Publikation:
M.
Dorner-Kirchner et al., HHG at the Carbon K-Edge Directly Driven by SRS
Red-Shifted Pulses from an Ytterbium Amplifier, ACS Photonics (2022).
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.2c01021
|
