Überwindung der Grenzen für Pulskompression

Die Erfindung der Chirped Pulse Amplification (CPA), ausgezeichnet mit dem Nobelpreis für Physik im Jahre 2018, hat eine Revolution in der Entwicklung von Lasern mit hoher Intensität ausgelöst, was zu einem ungebremsten Wachstum der erreichten Spitzenlaserintensität innerhalb von 30 Jahren führte. Im Gegenzug ermöglichte die Verfügbarkeit von intensiven Treiberpulsen das Aufkommen von vielen neuen laserbasierten Anwendungen, wie Starkfeld-Photodissoziation und nicht-thermischer Phasenübergänge, Beschleunigung geladener und neutraler Teilchen, Sekundärstrahlungsemission von THz- bis hin zu Röntgen-, sowie Gammastrahlung und vorrausichtlich weiterer, relativistischer Licht-Materie-Wechselwirkungen. Während das Streben nach einer Vergrößerung der Intensität und Spitzenleistung von Laserpulsen unvermindert weitergeht, löst der stetige Prozess in der Entwicklung des CPA-Ansatzes, durch Verbesserung der Lasermaterialien und -geometrien, lediglich die Herausforderung der Skalierung der Pulsenergie und der Durchschnittsleistung der Laserquelle. Um die Dauer der zeitlichen Einhüllenden des Pulses zu reduzieren und dadurch die Spitzenleistung des Lasers in die Höhe zu treiben, muss man die Pulsbandbreiten über die, von den Laserverstärkungsmaterialien zur Verfügung gestellten, Bandbreiten verbreitern, durch Verwendung von externer Pulskompression außerhalb des Lasers. Die derzeit am erwähnenswerteste Pulskompressionstechnik für Multi-Millijoulepulse basiert auf der Verwendung von gasgefüllten Hohlwellenleitern, gefolgt von Dispersionskompensation, üblicherweise als eine Menge von gechirpten Spiegeln. Alternative Geometrien bauen auf eine hocheffiziente, spektrale Verbreiterung in Festkörpern, anstatt auf Hohlwellenleiter, aber erfordern die Lösung einer anderen Menge von Problemen. Erst kürzlich bereitete der taiwanesische Partner in diesem bilateralen Projekt den Weg für eine bahnbrechende Mehrscheibenkompressionstechnik (multi-plate compression technique, MPC), welche zur Erzeugung von nahezu Einzelzykluspulsen im Nahinfrarotbereich führte und stellte eine Lösung für das Strahl- und Materialzerstörungsproblem zur Verfügung, welches unausweichlich auftritt, wenn ein konventionelles, kontinuierliches Einzelstück eines Bulkmaterials verwendet wird. Der österreichische Partner hat bei einer komplementären Bemühung im nahinfraroten Spektralbereich eine ähnliche Möglichkeit gezeigt, die kritische Leistung der Selbstfokussierung in anormal dispersiven Materialien um mehrere Größenordnungen zu übertreffen, während der Puls bis zu einer Subterawatt-Spitzenleistung selbstkomprimiert und die örtliche Strahlkohärenz erhalten bleibt. Die Grundidee des vorgeschlagenen Projektes ist es, das Knowhow und die Möglichkeiten der Infrastruktur des taiwanesischen und des österreichischen Teams zu verbinden, mit dem Ziel der Durchbrechung von fundamentalen Grenzen der Pulskompression. Die Teams werden als Teil dieses Aufwandes neue, zukünftige Treiberquellen für Starkfeldanwendungen entwickeln.

Die Erfindung der Chirped Pulse Amplification (CPA), ausgezeichnet mit dem Nobelpreis für Physik im Jahre 2018, hat eine Revolution in der Entwicklung von Lasern mit hoher Intensität ausgelöst, was zu einem ungebremsten Wachstum der erreichten Spitzenlaserintensität innerhalb von 30 Jahren führte. Im Gegenzug ermöglichte die Verfügbarkeit von intensiven Treiberpulsen das Aufkommen von vielen neuen laserbasierten Anwendungen, wie Starkfeld-Photodissoziation und nicht-thermischer Phasenübergänge, Beschleunigung geladener und neutraler Teilchen, Sekundärstrahlungsemission von THz- bis hin zu Röntgen-, sowie Gammastrahlung und vorrausichtlich weiterer, relativistischer Licht-Materie-Wechselwirkungen. Während das Streben nach höherer Intensitäten und Spitzenleistungen von Laserpulsen weitergeht, löst der stetige Prozess in der Entwicklung des CPA-Ansatzes, durch Verbesserung der Lasermaterialien und -geometrien, lediglich die Herausforderung der Pulsenergieskalierung und der Durchschnittsleistung der Laserquelle. Um die Dauer der zeitlichen Einhüllenden des Pulses zu reduzieren und dadurch die Spitzenleistung des Lasers in die Höhe zu treiben, muss man die Pulsbandbreiten über die, von den Laserverstärkungsmaterialien zur Verfügung gestellten, Bandbreiten verbreitern, durch Verwendung von externer Pulskompression außerhalb des Lasers. Die derzeit am erwähnenswerteste Pulskompressionstechnik für Multi-Millijoulepulse basiert auf der Verwendung von gasgefüllten Hohlwellenleitern, gefolgt von Dispersionskompensation, üblicherweise durch mehrere gechirpte Spiegel. Anstatt in Hohlwellenleitern bauen alternative Geometrien auf eine hocheffiziente spektrale Verbreiterung in Festkörpern oder Gasen in Freiraumstrahlen, aber erfordern die Lösung anderer Problemen. Im Zuge des beendeten FWF-Projektes haben das TU Wien Team und die internationalen Partner sich der Hauptaufgabe gewidmet, die SPM-basierten Konzepte auf höhere Pulsenergien zu erweitern. Konventionell wächst die Größe eines externen Kompressors quadratisch mit der Pulsenergie, um ein sicheres Gleichgewicht zwischen optischem Schaden, Ionisationsverluste und einer geeigneten Strahl-Selbstfokussierungsstärke zu erhalten. Die TU Wien hat zwei Strategien zur Meisterung der Skalierungsherausforderung verfolgt. Der erste Ansatz war es, die Intensitätslimits zu vermeiden, und basierte auf einer eindimensional-räumlichen und zeitlichen Skalierung. Der zweite Ansatz beinhaltete eine Pulsformatsänderung von einem Hochenergie-Einzelpuls zu einem kurzen Pulspaket, einem THz-Frequenz Pulsbursts, wo die Gesamtenergie aufgeteilt war auf 2 bis 40 Pulse niedriger Intensität. Die hauptsächlichen Forschungsergebnisse des beendeten Projektes beinhalten die Erfindung einer Multi-Pass Gaszellenkompressorvariante, in dem die eindimensionale Strahlskalierung auf den Spiegeln innerhalb der Zelle durch einen dispersiven räumlichen Chirp des Eingangsstrahls innerhalb eines modifizierten Beugungsgitterpaar-Kompressors erreicht werden konnte. Der Abstand der gekrümmten Spiegel kann als Resultat konstant bleiben, während die höhere Strahlgröße auf den Spiegeln eine Pulsenergieskalierung mit beliebigem Faktor erlaubt. Eine weitere nennenswerte Einsicht, hervorgegangen durch die detaillierte Studie des THz-Burstformats, ist die Erhaltung der spektralen Interferenzeigenschaften des hochperiodischen Pulsbursts während nichtlinear-optischer spektraler Transformationen (SPM und Frequenzwandlung). Diese Erkenntnis hat zu dem Entwurf eines neuen Femtosekundenpuls-Konzeptes für stimulierte Ramanstreuung in molekularen Gasen geführt, welches konventionellen Ansätzen basierend auf zwei schmalbandigen, durchstimmbaren Pulsen überlegen ist. Ein numerischer Machbarkeitsbeweis der Signalstärken und der spektralen Auflösung wurde durchgeführt, innerhalb dieses Projektes publiziert und dient als Grundlagenwerk für zukünftige experimentelle Untersuchungen.