Die Röntgenstrahlung, mit der man im Krankenhaus ein gebrochenes Bein untersucht, ist einfach herzustellen. In der Industrie braucht man aber auch Röntgenstrahlung ganz anderer Art – nämlich möglichst kurze, energiereiche Röntgenlaserpulse. Man verwendet sie etwa bei der Herstellung von Nanostrukturen und elektronischen Bauteilen, aber auch, um den Ablauf chemischer Reaktionen in Echtzeit zu überwachen.
Starke, extrem kurzwellige Röntgenpulse im Wellenlängenbereich von Nanometern sind schwierig herzustellen, doch nun wurde an der TU Wien eine neue, einfachere Methode entwickelt: Der Ausgangspunkt ist nicht wie bisher ein Titanium-Saphir-Laser, sondern ein Ytterbiumlaser. Und der entscheidende Trick liegt darin, dass man das Licht anschließend durch ein Gas schickt, um seine Eigenschaften gezielt zu verändern.
Mit großen Wellenlängen zu kurzen Wellenlängen
Die Wellenlänge eines Laserstrahls hängt von dem Material ab, in dem er erzeugt wird: In den beteiligten Atomen oder Molekülen wechseln Elektronen von einem Zustand in einen Zustand mit geringerer Energie. Dabei wird ein Photon ausgesendet – seine Wellenlänge (und somit seine Farbe) hängt davon ab, wie viel Energie das Elektron bei seinem Zustandswechsel verloren hat. So kann man unterschiedliche Laserfarben erzeugen – von rot bis violett.
Wenn man allerdings Laserstrahlen mit noch viel kleinerer Wellenlänge erzeugen möchte, dann muss man spezielle Tricks anwenden: Man erzeugt zunächst Laserstrahlen mit großer Wellenlänge und schießt sie auf Atome. Den Atomen wird ein Elektron entrissen, es wird im elektrischen Feld des Lasers beschleunigt, kehrt dann wieder um und stößt wieder mit dem Atom zusammen, aus dem es kam – und dabei kann dann kurzwellige Röntgenstrahlung entstehen. Diese Technik heißt High Harmonic Generation.
Die Situation erscheint auf den ersten Blick etwas kontra-intuititv, sagt Paolo Carpeggiani vom Institut für Photonik der TU Wien. Es zeigt sich nämlich: Je größer die Wellenlänge des ursprünglichen Laserstrahls, umso kleinere Wellenlängen kann man am Ende dadurch erzielen. Allerdings sinkt dabei auch die Effizienz der Röntgenstrahlungsproduktion: Wenn man sehr kurzwellige Strahlung erzeugen möchte, dann wird ihre Intensität sehr gering.
Ytterbium statt Titanium-Saphir, Gas statt Kristall
Bisher wurden bei dieser Technologie fast immer Titanium-Saphir-Laser verwendet und die Wellenlänge ihrer Strahlung dann mit speziellen Kristallen vergrößert, um damit dann durch High-Harmonic-Generation möglichst kurzwellige Röntgenstrahlung zu generieren. Das Team an der TU Wien entwickelte nun eine einfachere und gleichzeitig leistungsfähigere Methode: Man setzte einen Ytterbiumlaser ein. Ein solcher Laser ist einfacher, billiger und leistungsfähiger als ein Titanium-Saphir-Laser, doch bislang kam man damit bei der Produktion von Röntgenpulsen nicht an die Ergebnisse von Titanium-Saphir-Lasern heran.
An der TU Wien wurde die Wellenlänge der Laserstrahlung zunächst vergrößert, indem man diese Strahlung nicht wie gewöhnlich durch einen Kristall schickte, sondern durch ein molekulares Gas. Das erhöhe die Effizienz ganz dramatisch, sagt Carpeggiani. Statt der bisher üblichen 20 Prozent kommt das Team der TU Wien auf rund 80 Prozent.
Das dadurch entstehende Laserlicht kann man dann wie bisher für High-Harmonic-Generation nutzen, um Röntgenlaserpulse zu erzeugen. Wir konnten zeigen, dass die neue Technik von Ytterbiumlasern, kombiniert mit Gas-basierter Wellenlängenkonversion, nicht nur in der Lage ist, Röntgenlaserpulse zu erzeugen, sondern dass dies auch noch bei deutlich höherer Effizienz als bisher gelingt. Damit ist es nun einfacher und kostengünstiger, Röntgenlaser für industrielle Anwendungen oder wissenschaftliche Untersuchungen zu verwenden.Florian Aigner
Originalpublikation:
M. Dorner-Kirchner, V. Shumakova, G. Coccia, E. Kaksis, B. E. Schmidt, V. Pervak, A. Pugzlys, A. Baltuška, M. Kitzler-Zeiler, P. A. Carpeggiani: HHG at the Carbon K-Edge Directly Driven by SRS Red-Shifted Pulses from an Ytterbium Amplifier; ACS Photonics (2023) 10 (1), 84-91, https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.2c01021
Kontakt:
Paolo Carpeggiani, PhD, Institut für Photonik, TU Wien,
E-Mail: paolo.carpeggiani@tuwien.ac.at
- www.tuwien.at
Edgar Kaksis (l.) und Paolo Carpeggiani
(Bild: TU Wien)
