Laser erzeugen einfarbiges, aber kein weißes Laserlicht – ihr Lichtspektrum ist zu schmal. Jetzt haben Physiker eine Methode entwickelt, die schmalbandige Laserpulse auf neue Weise in breitbandiges, weißes Laserlicht umwandelt – mithilfe von Wasser. In Kombination mit einem nichtlinearen optischen Kristall weitet das Wasser das Laserlicht spektral auf, gleichzeitig schützt es die nichtlineare Optik vor der hohen Intensität des Ausgangslasers. Die so erzeugten weißen Laserpulse können unter anderem Analysen ultraschneller Prozesse ermöglichen.
Laser sind aus unserer modernen Technik nicht mehr wegzudenken. Ihr kohärentes, einfarbiges und stark gebündeltes Licht ermöglicht eine Vielzahl von Anwendungen – von Materialanalysen über die Datenübertragung bis hin zur LIDAR-Laservermessung von Landschaften. Es gibt jedoch auch Anwendungen, die einen eher breitbandigen Laserstrahl benötigen, darunter bestimmte Sensoren, aber auch spektroskopische Analysemethoden.
Von einfarbig zum Breitband-Spektrum
Um die gewünschte Breitband-Laserstrahlung zu erzeugen, nutzen Physiker bisher meist nichtlineare Optiken aus Feststoffen wie speziellen Glasfasern oder Kristallen. Diese können das Laserlicht durch ihre Lichtbrechung aufspalten und so dessen anfangs schmales Spektrum aufweiten. Bei der Erzeugung dieser Supercontinuum-Emission geht jedoch viel Energie verloren, gleichzeitig kann der Ausgangslaser nicht beliebig hochgeregelt werden, weil dann die nichtlinearen Optiken Schaden nehmen.
Eine effizientere Alternative stellen nun Lihong Hong vom Staatlichen Labor für Hochfeld-Laserphysik in Schanghai und seine Kollegen vor: Sie haben einen nichtlinearen optischen Kristall dafür einfach mit Wasser kombiniert. „Flüssigkeiten wie Wasser können hohen Pulsenergien widerstehen, was das Problem der für Feststoffe typischen optischen Schäden behebt“, erklären die Physiker. Dazu kommt, dass die Lichtbrechung im Wasser dazu beiträgt, das Spektrum des Ausgangs-Lasers aufzuweiten.
Doppelte Aufweitung
Konkret besteht das neue Wasser-Lasersystem aus einem leistungsstarken Titan-Saphir-Laser, der infrarote Femtosekunden-Laserpulse von 800 Nanometer Wellenlänge produziert. Diese Laserpulse werden mit Linse so fokussiert, dass ihr Brennpunkt in dem mit Wasser gefüllten Kanal eines kleinen Siliziumbehälters liegt. Durch das Wasser wird der Laserstrahl bereits stark aufgeweitet, wie Tests ergaben. „Die spektrale Aufweitung erzeugt ein Supercontinuum-Spektrum, das zehnfach breiter ist als der Femtosekunden-Pumplaser“, berichten die Forscher.
Im zweiten Schritt trifft diese „vorgeweitete“ Emission auf einen nichtlinearen optischen Kristall aus Lithium-Niobat, der im Zentrum des Wasserkanals sitzt. Dieser bricht das Spektrum der Laserpulse noch weiter auf und erzeugt ein weißes Laserlicht, das den gesamten Wellenbereich zwischen 413 und 907 Nanometern in fast gleichmäßiger Intensität abdeckt. Dadurch entstehen Laserpulse mit dem erwünschten „flachen“ Spektrum, wie Hong und seine Kollegen berichten. Trotz der spektralen Aufweitung sank die Energie der Laserpulse nur von vier auf 0,6 Millijoule.
Basis für günstige und leistungsstarke weiße Laser
„Damit eröffnet uns diese Technologie einen Weg zu langlebigen, stabilen und günstigen weißen Lasern mit hoher Pulsenergie, großer spektraler Flachheit und einer ultraweiten Bandbreite“, konstatieren Hong und sein Team. Dies lege die Basis für verschiedenste Anwendungen. „Es ermöglicht eine hohe Auflösung bei der breitbandigen spektralen Analyse von physikalischen, chemischen und biologischen Prozessen sowohl in der Grundlagenforschung als auch in der Technik“, schreiben die Physiker.
Zugutekommen könnten solche neuen, günstigen weißen Laser beispielsweise der Spektroskopie und Abbildung ultraschneller Prozesse bei chemischen Reaktionen oder bestimmten physikalischen Abläufen. Auch in Hyperspektral-Scannern könnten solche weißen Laser eingesetzt werden. (Advanced Photonics Nexus, 2024; doi: 10.1117/1.APN.3.1.016008)
Quelle: SPIE–International Society for Optics and Photonics
