Zuschauer am Plasmaspiegel

Licht ist wandelbar. Trifft es auf einen Spiegel, der sich mit knapper Lichtgeschwindigkeit darauf zu bewegt, verschiebt sich seine Wellenlänge bis hinein ins extrem ultraviolette Spektrum. Diesen Effekt hatte bereits Albert Einstein beschrieben. Seine Theorie wurde fast 100 Jahre später mit der Entwicklung hochintensiver Laserlicht-Quellen experimentell bestätigt. Das Phänomen haben Laserphysiker um Professor Stefan Karsch vom Labor für Attosekundenphysik (LAP) am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching (MPQ) und der LMU nun so präzise unter Kontrolle gebracht, dass es möglich ist, die aus dem reflektierten Licht erzeugten hochintensiven Attosekunden-langen Lichtblitze mit einer bisher nicht erreichten Genauigkeit zu steuern, um sie in der Ultrakurzzeit-Forschung einzusetzen.

Die Erzeugung ultrakurzer Lichtblitze geschieht in der Regel über die Wechselwirkung von Laserlicht und Edelgasatomen. Der Nachteil der Methode ist, dass die erzeugten Attosekunden-Pulse eine niedrige Intensität haben. Eine Alternative ist die Erzeugung von Pulsen an relativistisch oszillierenden Spiegeloberflächen. Dabei interagiert der Laser mit fester Materie, meist aus Quarzglas.

Ein kleiner Teil des einfallenden Laserlichts dient dazu, die Glasoberfläche zu ionisieren und ein Plasma, ein dichtes Gemisch aus frei beweglichen Elektronen und nahezu ruhenden Atomrümpfen zu bilden. Dieser Zustand gleicht Metallen, bei denen sich ein Teil der Elektronen im Material frei bewegt. Seine dichte Plasmaoberfläche verhält sich ähnlich wie ein Metallspiegel. Durch das elektrische Feld des restlichen, einfallenden Lichts wird diese Oberfläche in Schwingungen mit Spitzengeschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit versetzt. Daran reflektiert das Laserlicht. Durch den Doppler-Effekt erfährt es eine Frequenzverschiebung bis in den extremen Ultraviolett-Bereich (XUV-Bereich). Je schneller die Bewegung des Spiegels, desto stärker die Verschiebung. Da die Zeiten, in denen sich der Spiegel mit maximaler Geschwindigkeit bewegt, extrem kurz sind, können die Laserphysiker Lichtblitze mit Attosekunden-Dauer im XUV-Bereich herausfiltern. Diese Lichtblitze haben eine weitaus höhere Intensität als die konventionell produzierten Pulse und können laut Simulationen Photonenenergien bis zum Kiloelektronenvolt-Bereich erreichen.

Die LAP-Physiker haben es nun in Kooperation mit Forschern in Ungarn, Griechenland und Schweden erstmals geschafft, sehr genaue Einblicke in die Abläufe dieses Phänomens zu erhalten. Dazu haben sie die Strahlprofile und Energieverteilung der emittierten Attosekunden-Pulse analysiert und zudem die sogenannte Carrier-envelope phase (CEP) des ursprünglichen Laserpulses in Echtzeit verfolgt. „Unsere Beobachtungen erlauben es nun, die optimalen Bedingungen für die Erzeugung von Attosekunden-Lichtblitzen mittels des Plasmaspiegels zu schaffen“, erklärt Olga Jahn, Erstautorin der Studie. „Wir konnten zeigen, dass wir auch isolierte Attosekunden-Lichtblitze generieren können aus optischen Laserpulsen, die über drei Wellenschwingungen verfügen.“ Die Erkenntnisse der LAP-Physiker helfen nun die Produktion von Attosekunden-Lichtblitzen über Plasmaspiegel deutlich zu vereinfachen und zu standardisieren. Die vergleichsweise hohen Intensitäten eröffnen neue Möglichkeiten für die Spektroskopie im ultravioletten Spektrum des Lichts, um neue Einblicke in die Welt der Atome und Moleküle zu gewinnen. (Thorsten Naeser/Olga Jahn/LMU)Optica 2019