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13. Dezember 2017

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Ein neues Zeitalter für Röntgenlaser

Ein neues Zeitalter für Röntgenlaser© Bilderbox.com

Weiterer ERC-Grant für TU Wien für Forschungsprojekt zum Thema Hochleistungs-Laser.

Ein „neues Zeitalter für Röntgenlaser“ möchte Tenio Popmitchev einläuten. Bereits in der Vergangenheit machte der Forscher (aktuell Universität San Diego/Kalifornien und vorher University of Colorado at Boulder) mit großen Erfolgen auf sich aufmerksam, etwa mit einem gemeinsamen Experiment mit der TU Wien, wo über 5000 Lichtteilchen niedriger Energie zu einem energiereichen Röntgenlichtteilchen vereint wurden. Nun erhält Tenio Popmintchev einen der hochdotierten ERC Starting-Grants des European Research Councils. Das ERC-Projekt wird an der TU Wien verankert sein, seine Zeit wird Popmintchev nun abwechselnd in Wien und in San Diego verbringen.

Laserlicht aus Röntgenstrahlen
Der erste Laser, der jemals gebaut wurde, leuchtete rubinrot. Mittlerweile gibt es viele unterschiedliche Arten von Festkörperlasern, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen und unterschiedliche Lichtfarben aussenden. Um Laserstrahlen in extrem kurzwelligen Frequenzbereichen zu erzeugen, etwa Röntgen-Laserstrahlung, muss man jedoch auf ganz besondere physikalische Phänomene zurückgreifen. Eine Möglichkeit ist die Erzeugung von sogenannten „höheren Harmonischen“, diese Methode wird sowohl von Tenio Popmintchev als auch am Institut für Photonik (Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, TU Wien), angewandt.
Wenn dabei ein intensiver Laserpuls auf ein passendes Ziel (engl. Target) trifft, kann erreicht werden, dass dieses Ziel seinerseits Laserstrahlung aussendet – und zwar mit einer deutlich kürzeren Wellenlänge als der ursprüngliche Laserpuls. Mit dieser Technik sind in den letzten Jahrzehnten immer wieder aufsehenerregende Rekorde aufgestellt worden. Tenio Popmintchev ist es gelungen, diese Methode weiterzuentwickeln und so Röntgen-Laserpulse zu erzeugen. Normalerweise benötigt man für die Erzeugung intensiver Röntgen-Laserstrahlen riesige Anlagen, nun ist das auch mit einem Versuchsaufbau möglich, der auf einen großen Tisch passt.

Der Takt ist entscheidend
Massgeblich ist, die einzelnen Lichtteilchen dazu zu bringen, genau im selben Takt zu schwingen, damit sie sich nicht gegenseitig stören, sondern sich zu einem hellen, intensiven Lichtstrahl vereinen, das sogenannte „Phase Matching“, erreichbar manchmal auch durch die sorgfältige Auswahl von Material und Druck des Ziels. „Diese stabile Phasenbeziehung zwischen den Photonen des treibenden Lasers und den Photonen der emittierten Röntgenstrahlung ist ganz wesentlich, um die Laser-Eigenschaften der ursprünglichen Strahlung auf das Licht der letztlich emittierten Strahlung zu übertragen“, sagt Tenio Popmintchev. „Anstatt einer simplen Röntgen-Glühbirne, die ihre Strahlung in alle Richtungen abgibt wie eine gewöhnliche Röntgenröhre, haben wir also Röntgenstrahlen, die mit geringer Divergenz in eine ganz bestimmte Richtung geschickt werden,“ betont Popmintchev.
„Außerdem erlaubt diese Technik, Röntgenstrahlen zu designen, die spezielle spektrale, örtliche oder zeitliche Eigenschaften haben. Man kann maßgeschneiderte Quanten-Eigenschaften erzeugen, die keine klassische Entsprechung haben, ein Niveau an Kontrolle, das in einer Röntgenröhre undenkbar wäre,“ ergänzt Popmintchev. Wo die physikalischen Grenzen dieser Techniken liegen, ist heute noch nicht klar. Am Institut für Photonik der TU Wien wird Tenio Popmintchev verschiedene Weiterentwicklungsideen kombinieren und die Grenzen des Machbaren ausloten. Einige der ganz besonderen Laser, die an der TU Wien entwickelt werden, sollen für die Produktion von bisher unerreichten Laserpuls-Intensitäten und Wellenlängen genutzt werden.

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red, Economy Ausgabe Webartikel, 06.10.2017