Aus Weiß wird (Extrem)-Ultraviolett
MBI-Forscher entwickeln neue Methode, um die spektrale Breite von extrem-ultraviolettem (XUV) Licht zu modifizieren
Abb. 1: (a) Mithilfe eines Prismas oder eines Gitters ist es möglich, eine gewählte Farbe aus einem breiten Spektrum auszuwählen. Dabei geht jedoch ein Großteil des Lichts verloren. (b) Durch Anwendung von Techniken der nichtlinearen Optik wie der Vier-Wellen-Mischung in Krypton kann eine gewählte Farbe aus dem gesamten Spektrum erzeugt werden. © MBI
Abb. 2: Der Brechungsindex ist von der Photonenenergie abhängig (gestrichelte rote Kurve). Im Bereich um 9.2 eV ist die Änderung des Brechungsindex vergleichsweise langsam (links), im Bereich um 12.365 eV hingegen sehr schnell. Daher kann eine breite Absorption (blaue Fläche) mit Hilfe zweier Photonen aus dem sichtbaren Spektrum (dargestellt durch die Pfeile) zu einer schmalbandigen Emission (violette Fläche) führen. © MBI
Forscher des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) haben eine neue Methode entwickelt, um die spektrale Breite von extrem-ultraviolettem (XUV) Licht zu modifizieren. Durch die Anwendung eines neuartigen Schemas für die Phasenanpassung in einer Vier-Wellen-Mischung konnten sie die spektrale Breite von anfangs breitbandigem Licht um einen Faktor von mehr als hundert reduzieren. Die detaillierten experimentellen und theoretischen Ergebnisse wurden nun in Nature Photonics veröffentlicht.
Licht, so wie es z.B. von der Sonne ausgestrahlt wird, besteht aus vielen verschiedenen Farben und erscheint typischerweise als weiß. Manchmal erreichen jedoch nur bestimmte Farben unsere Augen, was zu beeindruckenden Phänomenen wie der Abendröte führen kann. Für technische und wissenschaftliche Anwendungen, für die eine bestimmte Farbe benötigt wird, können Prismen oder Beugungsgitter verwendet werden, um diese Farbe aus weißem Licht herauszufiltern. Das meiste Licht geht dabei jedoch verloren, was zu niedrigen Lichtintensitäten führt.
Nichtlineare optische Techniken haben es ermöglicht, die Farbe von Licht zu ändern sowie die spektrale Bandbreite zu modifizieren, was zu deutlich höheren Lichtintensitäten führt. Wie in Abb. 1 dargestellt ist, kann so Licht mit einer spezifischen Farbe aus breitbandigem Licht (wie z.B. weißem Licht) erzeugt werden oder umgekehrt. Diese Techniken sind weitverbreitet in spektroskopischen Anwendungen, für Abbildungen sowie für die Erzeugung von ultrakurzen Laserpulsen. Nichtlineare optische Techniken sind jedoch nicht weitverbreitet im XUV-Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Dieser Bereich ist von steigendem Interesse für verschiedenste Anwendungen, wie z.B. der Attosekunden-Wissenschaft sowie der EUV-Lithographie.
Ein Forscherteam vom Max-Born-Institut hat kürzlich ein neues Konzept demonstriert, um schmalbandige Laserpulse im XUV-Bereich zu erzeugen. Dabei haben sie breitbandiges weißes Licht im sichtbaren Bereich mit breitbandigem Licht im vakuum-ultravioletten (VUV) Bereich kombiniert. Nachdem diese beiden Lichtpulse gleichzeitig durch einen dichten Jet von Krypton-Atomen propagiert sind, wurde ein neuer Laserpuls im XUV-Bereich erzeugt. Bemerkenswerterweise war die spektrale Breite mehr als hundertfach schmaler verglichen mit der Breite der sichtbaren und VUV-Pulse.
Die Wissenschaftler haben dabei ein Schema verwendet, das als Vier-Wellen-Mischung bekannt ist. Dabei absorbiert ein Krypton-Atom zwei sichtbare Photonen und ein VUV-Photon, was zur Aussendung eines XUV-Photons führt. Aufgrund des Prinzips der Energieerhaltung muss die Frequenz des emittierten XUV-Photons der Summe der Frequenzen der drei absorbierten Photonen entsprechen. Außerdem besagt die Impulserhaltung, dass die Geschwindigkeit der eingehenden Welle der Geschwindigkeit der ausgesendeten Welle im Krypton-Jet entsprechen muss. Diese Geschwindigkeit ist frequenzabhängig und ändert sich sehr schnell in der Nähe einer atomaren Resonanz.
Um den schmalbandigen XUV-Laserpuls zu erzeugen, wählten die Forscher einen Bereich in der VUV-Region, der fernab jeder Resonanz liegt, sowie eine XUV-Frequenz, die sich zwischen zwei Resonanzen befindet. Dadurch war es ihnen möglich, die Geschwindigkeit der eingehenden Wellen aus einem breiten spektralen Bereich der Geschwindigkeit der ausgehenden Welle in einem sehr schmalen Bereich aneinander anzugleichen. Dies wird in Abb. 2 illustriert: In der linken Seite ist die Absorption im VUV-Bereich über ein spektral breites Intervall dargestellt (blaue Fläche), während auf der rechten Seite ein spektral schmales Intervall im XUV-Bereich dargestellt ist (violette Fläche). Der Brechungsindex (gestrichelte rote Kurve) – und damit die Lichtgeschwindigkeit – nimmt in beiden Bereichen ähnliche Werte an und kann mit Hilfe zweier Photonen aus dem sichtbaren Spektrum (horizontale Pfeile) angepasst werden. Die Illustration verdeutlicht, dass sich dadurch ein breites VUV-Spektrum (mit einer relativ flachen Abhängigkeit der Geschwindigkeit von der Wellenlänge) in ein schmalbandiges XUV-Spektrum umwandeln lässt, wo die Abhängigkeit der Geschwindigkeit von der Wellenlänge nahezu vertikal ist.
Die Erzeugung von schmalbandigen XUV-Laserpulsen ist von Interesse für Anwendungen in der Elektronenspektroskopie, für die Studie von resonanten Übergängen und für bildgebende Methoden für Nanostrukturen. In der Zukunft könnte die Methode auch in die entgegengesetzte Richtung angewandt werden, d.h. um XUV-Pulse spektral zu verbreitern. Dies könnte die Erzeugung sehr kurzer XUV-Pulse durch Freie-Elektronen-Laser und weiche Röntgenlaser ermöglichen.
Publikation
Extreme-ultraviolet spectral compression by four-wave mixing
L. Drescher, O. Kornilov, T. Witting, V. Shokeen, M. J. J. Vrakking and B. Schütte
Nature Photonics (2021), DOI: 10.1038/s41566-020-00758-8
Kontakt
Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzeitspektroskopie (MBI)
Dr. Bernd Schütte
E-Mail Bernd.Schuette(at)mbi-berlin.de
Tel. +49 30 6392-1295
Dr. Lorenz Drescher
E-Mail Lorenz.Drescher(at)mbi-berlin.de
Tel. +49 30 6392-1207
Pressemitteilung MBI vom 25.01.2021