Forschung & Entwicklung

Energiereiche Terahertzpulse für kleinere Teilchenbeschleuniger

Mit ultrastarken Laserpulsen ist es möglich, energiereiche Terahertzstrahlung zu erzeugen, die eine scharf definierte Wellenlänge besitzt. Dies ist eine Grundlage für neuartige, kompakte Teilchenbeschleuniger.

Terahertzstrahlung  eignet sich für den Bau kompakter Teilchenbeschleuniger. Die Wellenlänge von Terahertzstrahlung sei rund tausendmal kürzer als die heute zur Beschleunigung verwendeten Radiowellen, sagt Franz Kärtner vom Hamburger Center for Free-Electron Laser Science (CFEL). Daher ließen sich auch die Beschleunigerkomponenten rund tausendmal kleiner bauen.

Um eine nennenswerte Zahl von Teilchen auf Trab zu bringen, sind starke Terahertzpulse mit möglichst scharf definierter Wellenlänge nötig. Genau die hat ein Forschungsteam nun produziert. „Um Terahertzpulse zu generieren, schießen wir zwei starke Laserblitze zeitlich minimal versetzt in einen sogenannten nicht linearen Kristall“, erläutert Andres Maier von der Universität Hamburg. Die beiden Laserblitze haben eine Art Farbverlauf, das heißt, sie haben vorne eine andere Farbe als hinten. Durch den leichten zeitlichen Versatz besteht zwischen den Pulsen eine leichte Farbdifferenz. „Diese Differenz liegt genau im Terahertzbereich“, sagt Maier. Der Kristall wandelt die Farbdifferenz in einen Terahertzpuls um.

Die beiden Laserblitze müssen für diese Methode exakt zeitlich synchronisiert sein. Das erreichen die Forscher, indem sie einen Laserblitz in zwei Teile aufspalten, dann einen der beiden Pulse über einen kurzen Umweg schicken, sodass er leicht verzögert ist, und schließlich beide Pulse wieder überlagern. Allerdings ist der Farbverlauf der Pulse nicht einfach konstant, die Farbe ändert sich also nicht gleichmäßig entlang des Pulsprofils. Stattdessen ist der Farbwechsel zunächst gering und wird dann immer stärker, hat also kein gerades, sondern ein gebogenes Farbprofil. Die beiden leicht versetzt fliegenden Pulse haben dadurch keine konstante Farbdifferenz. Nur in einem schmalen Abschnitt stimmt deshalb die Differenz für die Erzeugung von Terahertzstrahlung.

„Das war eine große Hürde für die Erzeugung energiereicherer Terahertzpulse“, berichtet Maier. Denn den Farbverlauf der Pulse zu begradigen, was die naheliegende Lösung gewesen wäre, sei technisch nicht einfach umsetzbar. Der entscheidende Schritt war, das Farbprofil nur eines der beiden Teilpulse zeitlich leicht zu strecken. Dadurch ändert sich zwar immer noch die Stärke des Farbverlaufs entlang des Pulses, die Farbdifferenz zum anderen Teilpuls verbessert sich jedoch und bleibt über einen weiten Bereich konstant.

Die erforderlichen Änderungen an einem der Pulse sind minimal und einfach umzusetzen: Es war ausreichend, ein kurzes Stück Spezialglas in den Strahlengang einzusetzen. Dadurch wurde das Terahertzsignal um den Faktor 13 stärker. Zusätzlich haben die Wissenschaftler einen besonders großen nicht linearen Kristall zur Erzeugung der Terahertzstrahlung verwendet, eine Spezialanfertigung des japanischen Instituts für Molekularwissenschaften in Okazaki. Je größer der Kristall, desto energiereichere Terahertzpulse lassen sich erzeugen.

In der Kombination dieser beiden Maßnahmen haben die Forscher eine Terahertzpulsenergie von 0,6 mJ erreicht, das ist über zehnmal stärker als alle zuvor auf optischem Weg generierten Terahertzpulse mit scharf definierter Wellenlänge. Die Arbeit zeigt, dass es möglich ist, ausreichend starke Terahertzpulse mit scharf definierter Wellenlänge für den Betrieb kompakter Teilchenbeschleuniger zu erzeugen.

von mn

Originalveröffentlichung:

[W. J. Spencer et al., Spectral Phase Control of Interfering Chirped Pulses for High-Energy Narrowband Terahertz Generation, Nat. Commun. 10 (2019), DOI: 10.1038/s41467-019-10657-4]

www.desy.de

www.cfel.de

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