Forschung & Entwicklung

Lichtimpulse durchbrechen die 300-W-Barriere

Die Erzeugung von Multi-Millijoule-3-Zyklen-Impulsen mit einer durchschnittlichen Leistung von 318 W stellt einen Meilenstein in der Lasertechnologie dar und ebnet den Weg für industrielle Anwendungen.

Extrem kurze Lichtimpulse mit nur wenigen Schwingungen des elektromagnetischen Feldes konnten bisher nur in der Spitzenforschung eingesetzt werden, zum Beispiel für zeitaufgelöste Studien oder die Erzeugung von Attosekundenpulsen. Um den Weg in industrielle Anwendungen zu finden, müssen eine Reihe von Herausforderungen angegangen werden, wie der vollautomatische Betrieb sowie die Energie- und Leistungshochskalierung der Quellen.

Wissenschaftler des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI), des Laser-Laboratoriums Göttingen (LLG) und der Active Fiber Systems (AFS) folgten einem neuartigen Ansatz, indem sie 300 fs lange Impulse von einem hochenergetischen Hochleistungslasersystem direkt auf die Dauer von wenigen Zyklen komprimierten. Dies erfordert eine 30-fache Kompression, die erst seit kurzem durch die Einführung der gestreckten, flexiblen Hohlfasertechnologie möglich ist, die eine praktisch uneingeschränkte Längenskalierbarkeit bietet.

In der Studie wurde ein kohärent kombinierter Mehrkanalfaserlaser mit bis zu 10 mJ Impulsen bei bis zu 1 kW Durchschnittsleistung als Lichtquelle verwendet. Dieses System wird derzeit bei AFS für die große europäische Laseranlage ELI ALPS in Szeged, Ungarn, entwickelt. Bei der Pulskompression wurde eine 6 m lange, gestreckte, flexible Hohlfaser verwendet, die von MBI und LLG gemeinsam entwickelt wurde. Während sich die Impulse durch in den Hohlwellenleiter eingefülltes Argongas ausbreiten, findet eine nicht lineare Wechselwirkung zwischen dem intensiven Licht und den Gasatomen statt, die das Spektrum verbreitert. Die Impulse mit einem wesentlich verbreiterten Spektrum können dann auf eine kürzere Dauer komprimiert werden, indem ihre spektrale Phase mit einem Satz von gechirpten Spiegeln kompensiert wird. Auf diese Weise gelang es dem Team, multi-mJ-10-fs-Pulse mit 100 kHz Wiederholrate bei einer durchschnittlichen Leistung von 318 W zu erzeugen, was die bisher höchste erreichte Durchschnittsleistung eines Lasers mit wenigen Zyklen ist.

Dies zeigt, dass mithilfe der gestreckten flexiblen Hohlfasertechnologie Hochleistungslaser in Industriequalität in das wenig-Zyklus-Regime gebracht werden können. So eröffnen sich neue Möglichkeiten für industrielle Anwendungen, zum Beispiel die hochparallelisierte Materialbearbeitung.

von mn

Originalveröffentlichung:

[T. Nagy, S. Hädrich, P. Simon, A. Blumenstein, N. Walther, R. Klas, J. Buldt, H. Stark, S. Breitkopf, P. Jójárt, I. Seres, Z. Várallyay, T. Eidam, J. Limpert, Generation of three-cycle multi-millijoule laser pulses at 318 W average power, Optica 6 (2019), DOI: 10.1364/OPTICA.6.001423]

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