Mit einem neuen Verfahren lässt sich die Farbe von gepulsten Hochleistungslasern über einen vergleichsweise großen Bereich frei einstellen. Die Methode verbessert damit die Anwendungsmöglichkeiten solcher Anlagen in Industrie und Forschung. Bislang gab es keine effiziente Möglichkeit, die Wellenlänge, also die Farbe, von Hochleistungslasern frei einzustellen, wie ein Forschungsteam von DESY, dem Helmholtz-Institut Jena und dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung im Fachblatt „Nature Photonics“ berichtet. Das Team um Forschungsleiter Christoph Heyl hat die Methode zum Patent angemeldet.

Laser sind heute eine Schlüsseltechnologie in zahlreichen Disziplinen, von der Materialbearbeitung über die Halbleiterproduktion und Medizin bis zur Grundlagenforschung. Dabei ist es oft nötig, die Wellenlänge des Lasers auf die jeweilige Anwendung optimal anzupassen. Insbesondere wenn Laser zur Untersuchung von Materialien eingesetzt werden, ist die Durchstimmbarkeit der Wellenlänge eine nahezu unabdingbare Voraussetzung.

Die Farbe eines Lasers hängt jedoch in der Regel vom verwendeten Lasermedium ab und ist damit durch die Bauweise genau festgelegt. Zwar gibt es inzwischen Laser in zahlreichen Farben, vom Infrarot bis zum Ultraviolett. Ist jedoch beispielsweise ein etwas anderes Rot nötig als ein Laser es liefert, muss die Wellenlänge mit aufwendigen Verfahren verschoben werden. Dabei geht viel Leistung verloren, oder der Laserblitz fasert aus und ist nicht mehr so kurz und scharf wie vorher – oder beides. Im Gegensatz dazu verbessert die vorgestellte neue Methode sogar das zeitliche Profil ultrakurzer Laserpulse.

„Die gegenwärtige Lasertechnik bietet keine Möglichkeit, die Wellenlängen von ultrakurzen Hochleistungslaserpulsen befriedigend zu verschieben“, erläutert Heyl. „Wir liefern mit unserer Arbeit nun eine Lösung für dieses Problem, indem wir eine altbekannte Technik aus dem Bereich der Radiowellen erfolgreich in den optischen Bereich übertragen haben.“ Mit Hilfe der sogenannten Serrodyn-Frequenzverschiebung ist es dem Team gelungen, die Wellenlänge eines Infrarot-Hochleistungslasers zwischen 1000 und 1060 Nanometern frei zu verschieben.

Dabei wird ein grundlegendes mathematisches Prinzip genutzt: eine geeignete Änderung der sogenannten zeitabhängigen Phase eines Signals wie etwa einer Radiowelle oder eines Lichtpulses führt direkt zur Änderung der Wellenlänge. Die zeitliche Änderung der Phase kann in einer sogenannten Multi-Pass-Zelle herbeigeführt werden. Die dabei erreichbare Frequenzverschiebung ist etwa 1000 Mal größer als bisherige Serrodyn-Methoden es ermöglicht haben.

„Mit dieser Innovation, die einen völlig neuen Ansatz verfolgt, überwinden wir ein jahzehnte altes Problem der Laserphysik und ermöglichen zahlreiche neue Anwendungen“, erläutert Heyl. „Wir erwarten etwa, dass Laser für Mikroskopie-, Spektrokopie-, oder Gas-Analyse-Anwendungen, die nicht nur in der Grundlagenforschung, sondern beispielsweise auch im medizinischen Bereich eingesetzt werden, in Zukunft deutlich kostengünstiger gebaut werden können. Gleichzeitig bietet die neu geschaffene Möglichkeit, das zeitliche Profil von Hochleistungslaserpulsen erheblich zu verbessern – ideale Voraussetzungen für zukünftige Laser-basierte Beschleuniger, deren Leistungsfähigkeit Laserpulse mit scharfem zeitlichen Profil erfordern.“   

 

Originalveröffentlichung:
Ultrafast serrodyne optical frequency translator; Prannay Balla, Henrik Tünnermann, Sarper H. Salman, Mingqi Fan, Skirmantas Alisauskas, Ingmar Hartl, Christoph M. Heyl; „Nature Photonics“, 2022; DOI: 10.1038/s41566-022-01121-9