Durchstimmbares Röntgenlicht mittels ultrakurzer Laserpulse

Die Erzeugung hochfrequenter Röntgenstrahlung im Labormaßstab basiert etabliert auf der Generierung hoher Harmonischer (High Harmonic Generation, HHG). Hierbei werden Atome mit intensiven Laserpulsen bestrahlt, wodurch kohärente Vielfache der Fundamentalfrequenz emittiert werden. Das resultierende Frequenzkammspektrum wies jedoch bislang diskrete, durch die Physik vorgegebene Frequenzabstände auf. Das erschwerte die gezielte Anregung spezifischer atomarer Resonanzen. Einem Forschungsteam der TU Wien und der University of California San Diego ist es nun gelungen, eine Methodik zur kontinuierlichen Frequenzabstimmung zu entwickeln, um die Lücken zwischen den Harmonischen vollständig zu schließen.

Mikroskopischer Mechanismus der Hochharmonischen-Erzeugung

„Seit Jahrzehnten verhält sich Hochharmonischen-Licht ein bisschen wie eine Gitarre mit festen Bünden“, sagt Prof. Tenio Popmintchev. „Man bekommt bestimmte Töne, in genau den Abständen, die die Physik vorgibt. Was wir nun gebaut haben, ähnelt eher einer Slide-Gitarre im Röntgenbereich: Wir können die Frequenz kontinuierlich zwischen den Harmonischen nach oben oder unten verschieben und genau die Energie einstellen, die wir brauchen.“

Der Schlüssel zur Durchstimmbarkeit liegt in der gezielten Modulation des treibenden Laserfeldes. Da die Frequenzen der Röntgenstrahlung Ganzzahlvielfache der Anregungsfrequenz darstellen, führt bereits eine geringe Spektralverschiebung des Treiberlasers zu einer signifikanten Wellenlängenänderung im Röntgenbereich.

Optischer Aufbau und Phasenanpassung

Für das optische Setup wird ein Ytterbium-Infrarotlaser verwendet, dessen Pulse in einen sechs Meter langen, gasgefüllten Hohlwellenleiter eingekoppelt werden. Durch starke nichtlineare Wechselwirkungen mit dem Gasmedium erfährt das Spektrum eine kontrollierte Modifikation. Anschließend wird die Infrarotstrahlung mittels Frequenzverdopplung in Kristallen in sichtbares Licht (Spektralbereich Blau bis Gelbgrün) konvertiert und auf Heliumatome fokussiert.

Im Vergleich zu konventionellem Infrarottreiberlicht bietet die Anregung im sichtbaren Spektrum wesentliche Vorteile für die Phasenanpassung. Die präzise Taktung gewährleistet eine konstruktive Interferenz der emittierten Wellen und damit eine hohe Intensität bei geringer Linienbreite. Auf atomarer Ebene verkürzt die höhere Treiberfrequenz die Rekombinationszeit der ionisierten Elektronen. Dadurch wird die räumliche Ausdehnung des quantenmechanischen Elektronenwellenpakets minimiert und die Quanteneffizienz der HHG gesteigert.

Gasdynamische Steuerung der Frequenzverschiebung

„Eine spektrale Verbreiterung, wie wir sie in unserer Gasröhre erzeugen, bedeutet normalerweise, dass man die Kontrolle über den Puls verliert“, sagt Dr. Dimitar Popmintchev. „Wir haben erkannt, dass genau dieselbe Nichtlinearität auch verwendet werden kann, um den Puls gezielt zu steuern.“

Die Richtung und das Ausmaß der Spektralverschiebung hängen vom verwendeten Gasmedium ab: Atomare Gase bewirken eine symmetrische Verbreiterung zu höheren und niedrigeren Frequenzen. „Molekulare Gase können durch den Energieaustausch mit ihren inneren Freiheitsgraden gezielt eine stärkere Verschiebung zu längeren Wellenlängen bewirken. Über die Gasart und den Druck kann daher eingestellt werden, wohin und wie weit sich die Laserfrequenz verschiebt“, sagt Paolo Carpeggiani. Über den gesamten Abstimmbereich bleiben die hohe Brillanz und die schmalen Spektrallinien der Röntgenstrahlung erhalten.

Anwendungspotenziale in Spektroskopie und Metrologie

Die kontinuierliche Einstellbarkeit der Wellenlänge ist entscheidend für Anwendungen, die eine exakte Resonanzabstimmung erfordern, darunter die Hochpräzisionsspektroskopie, die Entwicklung von Kernuhren sowie die Halbleiter-Metrologie. „Die Natur legt ihre Resonanzen nicht dort hin, wo zufällig unsere Harmonischen liegen“, sagt Tenio Popmintchev. „Wenn wir einen ganzen Energiebereich kontinuierlich durchfahren können, statt nur zwischen festen Frequenzen hin- und herzuschalten, werden viele Experimente überhaupt erst praktisch möglich – und das mit einem Apparat auf Laborskala, viel kleiner als große Photonen-Fabriken wie Synchrotrons oder Freie-Elektronen-Laser.“

Das Verfahren ermöglicht somit die Bereitstellung maßgeschneiderter, kohärenter Strahlungsquellen direkt im Laborumfeld, wodurch experimentelle Parameter flexibel an die jeweiligen physikalischen Fragestellungen angepasst werden können.

Quelle

Technische Universität Wien (09/2026)