Neuartiges Laser-System

Erzeugung von Röntgenblitzen

Röntgenstrahlen werden heute in vielen Bereichen der Medizin oder der Materialwissenschaft eingesetzt. Um ein gebrochenes Bein abzubilden, genügt ein kontinuierlicher Strom von Röntgenstrahlen. Um allerdings zeitabhängige Phänomene auf extrem kurzen Zeitskalen untersuchen zu können, braucht man kurze Röntgenpulse.

Skirmantas Alisauskas. (Bild: TU Wien)

Eine Möglichkeit, solche Pulse zu erzeugen, ist das Beschießen eines Metalls mit kurzen Laserblitzen. Der Laser reißt Elektronen aus den Atomen und lässt sie dann Röntgenstrahlung aussenden. Elektrotechnikern der TU Wien gelang es nun gemeinsam mit einem Team aus Berlin, den Strom an Röntgen-Photonen mit Hilfe eines neuentwickelten Infrarot-Lasers drastisch zu erhöhen. Die neuartige Röntgenquelle hat eine überschaubare Größe, sie lässt sich auf einem einzigen Tisch aufbauen und soll nun präzisere Messungen in vielen Forschungsbereichen ermöglichen. Die neue Methode wurde nun im Journal „Nature Photonics" publiziert.

Lange und kurze Wellen
Harte Röntgenstrahlung hat eine Wellenlänge im Picometer-Bereich – viel kürzer als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts. Aber um diese extrem kurzwellige Strahlung zu erzeugen, beginnt das Team von Prof. Audrius Baltuska (Institut für Photonik, TU Wien) zunächst mit einer ganz anderen Art von Licht: Die Forschungsgruppe entwickelte ein Lasersystem, das hochintensive Strahlung mit einer Wellenlänge von 4 µm erzeugt – diese Wellenlänge ist weit größer als die von sichtbarem Licht.

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Das Licht des Lasers im mittleren Infrarot-Bereich trifft eine Kupferplatte. Die Intensität des Laserstrahls ist so hoch, dass Elektronen aus den Atomen gerissen werden. Das elektrische Feld des Laserlichts kehrt ihre Richtung um, beschleunigt sie und lässt sie schließlich mit sehr hoher Energie wieder auf das Kupfer treffen. Bei diesem Zusammenstoß der zurückkehrenden Elektronen mit dem Kupfer entsteht die kurzwellige Röntgenstrahlung.

„Die Flussstärke der Röntgenstrahlung hängt von der Wellenlänge des Lasers ab“, sagt Skirmantas Alisauskas (TU Wien). „Wenn das Laserlicht eine lange Wellenlänge hat, dann bewegt sich das Elektron lange im Laserfeld, bevor es zu den Kupferatomen zurückkehrt. Es hat dann mehr Zeit, um Energie zu gewinnen, und trifft dann umso härter auf dem Kupfer auf.“

Ein neuartiger Laser
Aus diesem Grund hat sich das Forschungsteam auf die Entwicklung eines langwelligen Lasersystems konzentriert. „Das Experiment wurde bisher mit einem gewöhnlichen 0,8-µm-Laser durchgeführt. Die Wellenlänge unserer Laserpulse ist 5mal so lange, wodurch sich ein 25mal so starker Fluss von Röntgen-Photonen ergibt“, sagt Skirmantas Alisauskas. Jeder einzelne Laserpuls bringt eine Milliarde Röntgen-Photonen hervor, die sich in alle Richtungen ausbreiten.

Das Laserlicht zu erzeugen, war eine große technologische Herausforderung. „Laser mit dieser Wellenlänge zu bauen, ist schwierig. Aber das größte Problem war es, eine ausreichend hohe Laserintensität zu erzielen“, sagt Alisauskas. „Bei dieser Wellenlänge ist es der intensivste Laser der Welt. Doch schon bald wollen wir ihn sogar noch weiter verbessern.“

Mehr Pulse pro Sekunde
Das Team möchte noch größere Wellenlängen erreichen und außerdem die Rate erhöhen, mit der der Laser Pulse aussendet. „Derzeit schaffen wir eine Wiederholungsrate von 20 Laserpulsen pro Sekunde. Das reicht wunderbar aus, um zu zeigen, dass die Methode funktioniert. Aber für technische Anwendungen müssen wir das noch verbessern, und wir haben bereits einige gute Ideen, wie wir das machen können“, sagt Prof. Andrius Baltuska.

Rückfragehinweis:
Dr. Skirmantas Alisauskas
Institut für Photonik
TU Wien
Gusshausstraße 25, 1040 Wien
skirmantas.alisauskas@tuwien.ac.at

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