Erzeugung intensiver LWIR-Felder über kaskadiertes SRS

Die meisten Laser für industrielle und wissenschaftliche Anwendungen emittieren keinen kontinuierlichen Lichtstrahl, sondern Pulse bei regelmäßigen Zeitintervallen. Für die meisten Anwendungen sind die relevanten Merkmale von Pulsen deren Energie, Dauer und Wellenlänge. Unsere Augen nehmen unterschiedliche Wellenlängen im sichtbaren Bereich als unterschiedliche Farben war. Viele Anwendungen benötigen Pulse so kurz und energetisch wie möglich, aber die Erzeugung solcher Pulse ist eine technologische Herausforderung und kann nur bei einigen spezifischen Wellenlängen erreicht werden, typischerweise im nahen Infrarot. Aus der täglichen Erfahrung wissen wir, dass Materialien auf unterschiedliche Farben anders reagieren, manche werden absorbiert und andere reflektiert. Das gleiche Konzept gilt für Moleküle, Atome und Elektronen, und deshalb ist es interessant deren Verhalten mit Laserpulsen bei unterschiedlichen Wellenlängen zu untersuchen. Es gibt viele Laserquellen, welche über einen weiten Bereich von Wellenlängen emittieren, aber nur bei spezifischen Wellenlängen die Bedingungen für Pulsenergie und -dauer erfüllen. Aus diesem Grund haben sich verschiedene Techniken etabliert um die Wellenlänge eines Pulses aus einer Laserquelle zu verändern. Diese Techniken erlauben es einen weiten, aber dennoch limitierten, Bereich von Wellenlängen abzudecken und haben typischerweise eine niedrige Eingangs-zu- Ausgangs Energieeffizienz (~10-30%), mit einem unerreichbaren Wellenlängenbereich in der unmittelbaren Nähe des Eingangssignals (0% bis 30% Shift). Wenn die Zielwellenlänge nicht erreichbar ist (zum Beispiel wenn man vom nahen Infrarot eines Lasers startet und das mittlere Infrarot anvisiert), ist es möglich eine Kaskade anzuwenden, d.h. eine zweite Stufe führt die Konversion durch und nimmt dabei als Eingangssignal das Ausgangssignal der ersten Stufe. Kaskadierte Konversion erweitert den verfügbaren Bereich, aber zum Preis der insgesamten Energieeffizienz. Unsere Gruppe hat kürzlich eine neue Methode zur Konversion von Laserwellenlängen entwickelt. Verglichen mit bestehenden Techniken hat sie eine geringere Flexibilität aber eine weitaus höhere Energieeffizienz (>60%), besonders in der Nähe des Eingangssignals. Am Wichtigsten ist es, dass sie durch ihre Eigenschaften besonders nützlich in einem Schema zur kaskadierten Konversion anwendbar ist: nämlich als erste Stufe in Kombination mit bereits etablierten Techniken, die als zweite Stufe verwendet werden. In diesem Projekt visieren wir die Erzeugung von Laserpulsen im nahen Infrarot mit kurzer Pulsdauer und hoher Energie an, dank der verbesserten Eingangs-Ausgangs-Effizienz und verbesserter Laser, welche von unserer Gruppe entwickelt wurden. Wir werden diese Pulse nicht nur zur Untersuchung der Antwort von Elektronen, Atomen und Molekülen verwenden, sondern auch für spezifische Anwendungen, die am meisten von Pulsen im mittleren Infrarot profitieren, wie die Emission von Röntgenstrahlen von Festkörperoberflächen.

Lasersysteme emittieren Licht bei bestimmten Wellenlängen - oder "Farben", wie wir sie wahrnehmen, wenn sie im sichtbaren Bereich liegen. Für viele wissenschaftliche und technologische Anwendungen wäre es jedoch äußerst nützlich, Laserlicht in einem deutlich breiteren und kontinuierlicheren Farbspektrum zur Verfügung zu haben. Denn wie wir auch aus dem Alltag wissen, reagieren Materialien sehr unterschiedlich, je nachdem, mit welcher Lichtfarbe sie bestrahlt werden. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Laserlicht in unterschiedlichen Farben zu erzeugen. Doch die meisten dieser Ansätze stoßen an Grenzen - vor allem, wenn zusätzlich Anforderungen wie hohe Leistung, sehr kurze Lichtimpulse oder große Energie pro Puls erfüllt werden müssen. Einige Methoden ermöglichen es zwar, Laserlicht in nahezu jede gewünschte Farbe innerhalb eines bestimmten Bereichs umzuwandeln. Diese Verfahren sind jedoch nicht vollständig effizient - bei der Umwandlung geht immer ein Teil der Energie verloren. Und obwohl das erreichbare Farbspektrum durchaus breit sein kann, ist es nicht unbegrenzt. Um den Bereich weiter auszudehnen, müssen oft mehrere Umwandlungsschritte aufeinander folgen - mit zunehmenden Energieverlusten bei jedem Schritt. Das führt zu einer zentralen Herausforderung: Selbst wenn die gewünschte Farbe technisch erreichbar ist, steht sie möglicherweise nicht mit ausreichender Leistung zur Verfügung, um wirklich genutzt werden zu können. Genau an diesem Punkt setzt unser Projekt an. Wir haben einen neuen Ansatz zur Umwandlung von Laserlicht entwickelt, der einfacher und effizienter ist als die etablierten Methoden - auch wenn er, wie alle Lösungen, gewisse Kompromisse mit sich bringt. Durch die geschickte Kombination dieser neuen Methode mit bestehenden Techniken konnten wir das nutzbare Farbspektrum von Laserlicht erweitern und gleichzeitig die Energieeffizienz verbessern. So bauen wir die Lichtquellen, die wir brauchen, um die Welt im Nanobereich nicht nur zu erforschen und zu analysieren - sondern auch gezielt zu steuern. Ein Beispiel: Die genaue Einstellung der Laserfarbe ist entscheidend, um die Bewegung von Elektronen zu lenken - ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer immer präziseren Kontrolle physikalischer Prozesse auf kleinster Skala.