Ein Durchbruch in der Laserforschung gelang an der Technischen
Universität Wien: In den Labors des Instituts für Photonik
wurde eine Methode entwickelt, helle Laserpulse im Röntgenbereich
zu erzeugen. Die dadurch gewonnene Röntgenstrahlung deckt einen
breiten Energiebereich ab und eignen sich daher bestens für viele
verschiedene Anwendungen – von der Materialwissenschaft bis zur
Medizin. Ähnliche Arten von Strahlung konnten bisher nur in
großen Teilchenbeschleunigern (Synchrotrons) hergestellt werden,
nun ist das auch im Laserlabor möglich.
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| Ein
infraroter Laserpuls (links) trifft auf einen Gasbehälter, wo er
die Atome zur Emission von Röntgenstrahlung anregt. Durch ein
Gitter (rechts) kann diese Röntgenstrahlung nach Wellenlänge
zerlegt werden. |
Laserlicht: Lichtteilchen, die im gleichen Takt schwingenLaserstrahlung zeichnet sich dadurch aus, dass viele Photonen einer
Lichtwelle gemeinsam im Takt schwingen – Wellenberg auf
Wellenberg und Wellental auf Wellental – man spricht von
„kohärenter Strahlung“. Das kohärente Licht, das
nun in den Labors der Arbeitsgruppe von Professor Andrius Baltuska
(Institut für Photonik, TU Wien) erzeugt wurde, hat ganz besondere
Eigenschaften: Es setzt sich aus Photonen unterschiedlicher Energie
zusammen – bis hin zu Röntgenstrahlung mit sehr kurzer
Wellenlänge und hoher Energie.
Infrarot-Laser regt Atome zum Röntgen-Leuchten anAls Energiequelle für diese Strahlung dienen kurze
infrarot-Laserpulse. Sie werden auf ein Edelgas geschossen, wo sie
einzelnen Atomen ein Elektron entreißen. Diese Elektronen werden
vom Infrarot-Licht beschleunigt und kehren dann mit erhöhter
Energie zu ihrem Atom zurück, wo sie ihre Bewegungsenergie in Form
von Röntgenstrahlung abgeben. So werden langwellige
Infrarot-Photonen in kurzwellige Röntgen-Photonen umgewandelt.
Wenn im ganzen Gasbehälter die Atome diesen Tanz mit ihren
Elektronen genau im richtigen Takt aufführen und sich die
einzelnen Röntgen-Wellen perfekt addieren, dann entsteht
Laser-artige Röntgenstrahlung. Beteiligt an diesem
spektakulären Experiment waren Forschungsgruppen der TU Wien, der
University of Colorado, der Cornell University (beide USA) und der
Universidad de Salamanca (Spanien).
5000 Photonen zu einem einzigen kombiniertDie Idee, mehrere Photonen in ein Photon mit höherer Energie
umzuwandeln, ist nicht neu: Bereits 1961 gelang es, aus zwei Photonen
eines rot strahlenden Rubinlasers ein einzelnes blaues Photon zu
erzeugen. Das nun in Wien durchgeführte Experiment allerdings
kombiniert über 5000 Photonen niederer Energie zu einem extrem
hochenergetischen Röntgen-Photon.
100 Gigawatt Leistung Die Infrarot-Photonen haben zwar wenig Energie, aber man benötigt
sehr viele von Ihnen. Die Infrarot-Strahlungsquelle muss daher sehr
stark sein. Verwendet wurde ein an der TU Wien entwickelter, weltweit
einzigartiger Infrarot-Laser mit einer Spitzenleistung von 100
Gigawatt. Das entspricht mehreren hundert Wasserkraftwerken –
allerdings nur für die Dauer des Laserpulses, in der
Größenordnung von Femtosekunden (10^-15 Sekunden). Die
Forschungsgruppe von der University of Colorado steuerte das Know-How
für die Erzeugung der Röntgenstrahlung im Edelgas unter hohem
Druck bei. Die Theorie-Gruppen aus Cornell und Salamanca untersuchten
das Phänomen durch numerische Berechnungen.
Hantieren mit unsichtbarer Strahlung„Gemeinsam überlegten wir, wie wir die technischen
Möglichkeiten unserer Arbeitsgruppen am besten kombinieren
könnten – und wählten schließlich den
schwierigsten Weg“, erzählt Audrius Pugzlys (TU Wien). Das
Team entschied sich für Infrarotstrahlung mit einer besonders
großen Wellenlänge von vier Mikrometern. Diese Strahlung ist
für das Auge unsichtbar und auch mit technischen Hilfsmitteln nur
schwer sichtbar zu machen. Dadurch werden die Experimente
aufwändiger, allerdings sind so höhere Röntgen-Energien
möglich. Der Aufwand hat sich gelohnt. „Die
Röntgenstrahlung ermöglicht höchst präzise
Spektroskopie, die man etwa für die Erforschung von Materialien,
für die Weiterentwicklung von Elektronik oder zur Analyse von
Biomolekülen einsetzen kann“, sagt Audrius Pugzlys.
Laserlabor statt TeilchenbeschleunigerWer heute solche Strahlung benötigt, muss auf Synchrotronstrahlung
aus teuren Teilchenbeschleunigern zurückgreifen. Die neue
Röntgen-Lichtquelle hingegen passt auf einen großen
Labortisch. „Ein Synchrotron liefert noch immer viel mehr
Photonen pro Sekunde als unser Strahl, aber es gibt viele Anwendungen,
für die man auch unsere Technologie einsetzen kann“, ist
Pugzlys zuversichtlich. Der Bereich der extrem hochenergetischen harten
Röntgenstrahlung kann noch nicht erreicht werden, doch die
Photonen des Röntgenstrahles haben eine höhere Energie als in
jedem anderen lichtbetriebenen Gerät. Derzeit arbeitet das Team
daran, die Laserpulse in kürzeren Zeitabständen feuern zu
können, dadurch ließe sich die mittlere
Strahlintensität noch deutlich erhöhen.
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