SRS-angetriebene Röntgen Pulse mit hohem Photonfluß

1999 wurde der Nobelpreis für Chemie an Ahmed Zewail "für seine Studien über die Übergangszustände chemischer Reaktionen mit Hilfe der Femtosekundenspektroskopie" verliehen. Chemische Reaktionen wurden zu einem sehr präzisen Zeitpunkt durch einen extrem kurzen Laserlichtpuls (auf der Zeitskala von Femtosekunden, 1fs = 10-15s) ausgelöst, und die anschließende Dynamik der angeregten Moleküle wurde zu unterschiedlichen Zeitpunkten mit einem zweiten ultrakurzen Laserpuls untersucht. Diese Technik, bei der ein Anregungspuls verwendet wird, um die molekulare Dynamik in Gang zu setzen, gefolgt von einem zweiten Puls, um die anschließende Entwicklung zu untersuchen, wird "Pump-Probe" genannt. Die Anwendung von ultrakurzen Femtosekunden-Laserpulsen bildet die Grundlage der "Femto-Chemie. Die Neuheit liegt, wie in der Begründung für die Verleihung des Nobelpreises dargelegt, in der Möglichkeit, die extrem kurzlebigen Übergangszustände chemischer Reaktionen zu beobachten. In den folgenden Jahren gab es beeindruckende technologische Fortschritte auf dem Gebiet der ultrakurzen Laser: die Möglichkeit, Laserpulse mit immer kürzerer Dauer und wählbarer Wellenlängen in einem immer breiteren Spektralbereich zu erzeugen, führt zu einer noch nie dagewesene Kontrolle über die Pulseigenschaften. So wurde es beispielsweise möglich, die Form des elektrischen Feldes des Lichts innerhalb des Pulses genau zu messen und zu steuern, so dass die zeitliche Auflösung von Pump-Probe-Messungen auf weniger als 1 fs verbessert werden konnte. Diese Fortschritte in der Lasertechnologie ermöglichten es den Forschern, immer genauere Experimente durchzuführen, um die Dynamik von Molekülen und von Elektronen zu bestimmen in immer komplexere Proben zu untersuchen. Ein Schlüsselwerkzeug für diese Experimente sind Laserpulse im extrem ultravioletten (XUV) Spektralbereich, da sie sowohl eine noch nie da gewesene kurze Dauer (unter 1 fs) als auch den direkten Zugang zu den Kernelektronen in Atomen und Molekülen bieten. Wie wir aus unserer alltäglichen Erfahrung wissen, lassen sich Gewebe und Knochen unter der Haut mit Röntgenstrahlen -und nicht mit sichtbaren Licht- sichtbar machen: Das Gleiche gilt für die Quantenwelt der Atome, wo sichtbares Licht hauptsächlich mit den äußeren Elektronen (der "Haut") wechselwirkt, während XUV und weiche Röntgenstrahlung direkt mit den Kernelektronen (den "Knochen") wechselwirken können. Die Möglichkeit, Übergangszustände photo-induzierter chemischer Reaktionen mit Laserpulsen mit weicher Röntgenstrahlung zu untersuchen, ist besonders wichtig, wenn es sich um komplexe Proben handelt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass jedes Element seine eigene charakteristische "weiche Röntgensignatur" hat, die auch auf die chemische Umgebung anspricht. Durch die Beobachtung der Röntgenspektren ist es zum Beispiel möglich zu erkennen, welche molekularen Bindungen durch die beteiligten Elemente gebildet werden. Das technologische Problem besteht darin, kurze Laserpulse zu erzeugen, welche weit genug in den Spektralbereich der weichen Röntgenstrahlung reichen, als auch genug Intensität besitzen um die erforderliche experimentelle Sensitivität zu erreichen. Solche weichen Röntgenpulse werden routinemäßig durch die Umwandlung konventioneller nahinfraroter (NIR) Laserverstärkern erzeugt. Dabei werden in einem ersten Schritt langwellige Laserpulse erzeugt, welche anschließend in Röntgenstrahlen umgewandelt werden. Die wesentlichen technologischen Beschränkungen sind gegeben durch den begrenzten Umwandlungswirkungsgrad und den strengen Anforderungen an die Spezifikationen des Laserverstärkers bzgl Wellenlänge und Laserleistung. Unsere Gruppe hat für den ersten Schritt ein Schema mit zwei Vorteilen entwickelt: Es arbeitet nicht nur mit einem höheren Wirkungsgrad, sondern ist auch kompatibel mit einer Klasse von leistungsfähigeren Laserverstärkern. Es ist möglich, einfachere und leistungsfähigere Laserverstärker zu verwenden, und in Kombination mit einem effizienteren Umwandlungsprozess können wir intensive weiche Röntgenlaserpulse erzeugen. Ziel dieses Projekts ist es, die Gültigkeit des vorgeschlagenen Ansatzes zu demonstrieren und sein höheres Potenzial in weiteren Studien der Femtochemie anzuwenden.