Physiker haben den Weg für eine neue Klasse von kohärenten Röntgenlasern bereitet. Im Experiment gelang es ihnen, Röntgenstrahlung soweit zu verstärken, dass sie in einem kohärenten Strahl – ähnlich einem Laser – emittiert wird. Wie sie in „Nature Physics“ berichten, war Umwandlungsgrad bei dieser neuen Methode deutlich höher als bisher angenommen.
Sei es die Zielankunft eines Formel-1-Rennens oder der Flügelschlag eines Kolibris – um schnelle Bewegungen auf ein Foto zu bannen, braucht es sehr kurze Belichtungszeiten. Das gilt nicht nur für die Fotografie sondern auch für wissenschaftliche Untersuchungsmethoden etwa die zeitaufgelöste Laserspektroskopie. „Mit ultrakurzen Laserpulsen lassen sich extrem schnelle Phänomene, etwa Schwingungen innerhalb von Molekülen und Atomen darstellen“, erklärt Professor Christian Spielmann von der Universität Jena. „Da es sich um sehr kleine Materiestrukturen handelt, müssen die Laserpulse zudem sehr kurzwellig sein.“
Für die Untersuchung hochgeladener Ionen ist beispielsweise Laserlicht mit der Wellenlänge von Röntgenstrahlung nötig. „Bisher ließ sich Laserlicht im Bereich der Röntgenstrahlung allerdings nur schwer mit für spektroskopische Untersuchungen ausreichender Intensität erzeugen“, so Spielmann. Außerdem sei das Spektrum verfügbarer Röntgenlaser auf wenige Wellenlängen beschränkt. Der Physiker und sein Team von der Uni Jena haben jetzt gemeinsam mit Kollegen der GSI Darmstadt eine Methode entwickelt, wie sich Röntgenstrahlung soweit verstärken lässt, dass sie in einem kohärenten Strahl – ähnlich einem Laser – emittiert wird.
„Hohe harmonische Strahlung“ erzeugt
Ausgangspunkt für die Erzeugung intensiver Röntgenstrahlung ist Laserlicht aus dem sichtbaren Spektrum. „Dieses fokussieren wir in einem Strahl aus Argon-Gas, wobei sogenannte ,hohe harmonische Strahlung‘ entsteht und die sichtbare Laserstrahlung in den Röntgenbereich verschoben wird“, erläutert Jozsef Seres, Forscher in Spielmanns Team, ein bereits länger bekanntes
Phänomen. Allerdings galt der Umwandlungsgrad von sichtbarem Laserlicht in Röntgenstrahlung bisher als gering.
In ihren Experimenten erhöhten die Forscher den Gasdruck des Argonstrahls sukzessive und maßen dabei den Umwandlungsgrad des Laserlichts in Röntgenstrahlung. Wie erwartet, stieg die Intensität der Röntgenstrahlung mit dem wachsenden Gasdruck an. In einzelnen Spektralbereichen beobachteten die Physiker aber ein viel stärkeres Anwachsen als theoretisch zu erwarten war. „Diese Zunahme deutet auf eine sogenannte ,parametrische‘ Verstärkung hin“, so Laserexperte Spielmann.
Theoretisches Modell erklärt Experiment
Um ihre Experimente erklären zu können, haben die Autoren ein theoretisches Modell entwickelt, dass beschreibt, unter welchen Umständen Röntgenstrahlung parametrisch verstärkt werden kann: Ein Laser wird in einen Gasstrahl fokussiert und erzeugt zum einen die „hohe harmonische“ Strahlung.
„Gleichzeitig präpariert der Laserstrahl aber auch die Gasatome in einer Weise, dass sie in der Lage sind, einfallendes Licht zu verstärken, ähnlich wie in einem Laser“, so Seres.
Damit sei es möglich, intensives Röntgenlicht in einem weiten Spektralbereich zu erzeugen. Mit ihrer nun veröffentlichten Methode, so die Jenaer Physiker, wird es in Zukunft möglich sein, eine neue Klasse von Röntgenquellen zu entwickeln, die energetische Röntgenpulse in einem weiten Spektralbereich und in einem kohärenten Strahl emittieren.
(Universität Jena, 20.04.2010 – NPO)
