15. Juni 2022
Laserspektroskopie

Ei­ner für al­le Far­ben – Uni­ver­sal­de­tek­tor für ul­tra­kur­ze La­ser­pul­se

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Spintronischer Emitter
Spin­tro­ni­scher Emit­ter
Bild 1/2, Credit: TeraSpinTec GmbH (CC BY NC ND), teraspintec.com

Spintronischer Emitter

Mit spin­tro­ni­schen Emit­tern las­sen sich Dau­er, Form und Ener­gie ul­tra­kur­z­er La­ser­pul­se mes­sen. Die Tech­no­lo­gie er­mög­licht be­son­ders kom­pak­te und ro­bus­te Mess­ge­rä­te. Die­se ei­ge­nen sich sehr gut zur De­tek­ti­on ul­tra­kur­z­er La­ser­pul­se und ha­ben ho­hes Po­ten­zi­al für Raum­fahr­t­an­wen­dun­gen.
Grafische Darstellung eines spintronischen Emitters
Gra­fi­sche Dar­stel­lung ei­nes spin­tro­ni­schen Emit­ters
Bild 2/2, Credit: TeraSpinTec GmbH (CC BY NC ND), teraspintec.com

Grafische Darstellung eines spintronischen Emitters

Der spin­tro­ni­sche Emit­ter be­steht aus drei dün­nen Me­tall­schich­ten. Die­se wan­deln ei­nen auf­tref­fen­den La­ser­puls (links) über spin­po­la­ri­sier­te Strö­me (mit­te – Elek­tro­nen sind als Ku­geln dar­ge­stellt, Far­ben und Pfei­le be­schrei­ben den Spin­zu­stand), in ei­nen elek­tro­ma­gne­ti­schen Puls im Tera­hertz-Be­reich um (rechts).
  • Mit einer neuen Messtechnik lassen sich die Eigenschaften ultrakurzer Laserpulse unabhängig von deren Wellenlänge bestimmen.
  • Ein spintronischer Emitter wandelt die Laserpulse in Terahertzwellen um. Aus diesen lassen sich Dauer, Form und Energie der Laserpulse bestimmen.
  • Die Technologie ermöglicht leichte, kompakte und robuste Messgeräte für Kurzpulslaser. Damit eröffnet sie neue Anwendungen für die zukünftige Laserdiagnostik in der Raumfahrt.
  • Schwerpunkte: Raumfahrt, Sicherheit, Laser, Quantentechnologie

Ein internationales Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern hat gemeinsam mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) eine neue Messtechnik für ultrakurze Laserpulse entwickelt. Damit lassen sich Dauer, Form und Energie der Pulse messen und kontrollieren. Das Besondere an der Technologie ist, sie funktioniert unabhängig von der Wellenlänge der Laserpulse.

Kernstück der Technologie ist ein sogenannter spintronischer Emitter. Dieser besteht aus drei, wenige Nanometer dünnen Metallschichten. Der Emitter wandelt die Laserpulse in Terahertzwellen um. Deren Form hängt von den Eigenschaften der Laserpulse ab.

Die Technologie ermöglicht höchst kompakte und robuste Messgeräte. Daraus eröffnen sich neue Einsätze von Kurzpulslasern von der Laboranalytik bis zur Raumfahrt.

Ein Messinstrument für alle Wellenlängen

Ultrakurzpulslaser sind heutzutage vom nahen Infrarot bis in den extrem-ultravioletten Spektralbereich verfügbar. Innerhalb einer Sekunde senden diese Laser bis zu mehreren Millionen Lichtpulse in regelmäßigen Zeitabständen aus. „Diese sind typischerweise wenige zehn Femtosekunden lang. Die Eigenschaften der Pulse können sich jedoch mit der Zeit verändern. Dies wirkt sich auf die Messergebnisse aus. Daher ist es wichtig die Eigenschaften der Laserpulse genau zu kennen, um die Laser nachregeln zu können. Bisher waren dazu für jeden Wellenlängenbereich eigene Messinstrumente nötig“, erklärt Prof. Michael Gensch vom DLR-Institut für Optische Sensorsysteme und der Technischen Universität Berlin, einer der Leiter des Forschungsprojektes.

Je nach Einsatzzweck besitzen die Pulse unterschiedliche Wellenlängen. Dieses Farbspektrum reicht vom Infrarot bis ins Ultraviolett. „Das Besondere an unserer Messtechnik ist, dass sie sich für das gesamte Spektrum an Laserwellenlängen eignet. Damit lässt sich im Prinzip ein universelles Pulsmessgerät für alle Farben realisieren“, betont Gensch.

Spintronischer Emitter wandelt Laserpulse in Terahertzwellen um

Das neuartige Messverfahren verwendet einen sogenannten spintronischen Terahertz-Emitter. Dieser besteht aus drei rund zwei Nanometer dünnen Schichten aus unterschiedlichen Metallen. „Die einzelnen Laserpulse heizen die Schichten kurz auf, wodurch jeweils ein Stromstoß entsteht. Wie bei einer Radioantenne erzeugt dieser Strom einen elektromagnetischen Puls. Da die Länge der Stromstöße rund zehn bis hundert Femtosekunden beträgt, entstehen daraus elektromagnetische Pulse im Terahertzbereich. In deren Wellenform sind die Informationen über die Laserpulse wie in einem Code enthalten. Diese Wellenform lässt sich mit einem sogenannten Time-Domain-Spektrometer sehr genau abtasten. So können wir die Eigenschaften von bis zu rund 30 Femtosekunden kurzen Laserpulsen bestimmen“, erläutert Gensch.

Femtosekundenlaser in der Raumfahrt

Der spintronische Emitter ist etwa ein mal ein Zentimeter groß. Die Messtechnik lässt sich sehr kompakt gestalten. Dies ermöglicht leichte und kompakte Universalmessgeräte für Ultrakurzpulslaser. „Unsere Messtechnik hat damit ein großes Potenzial für Anwendungen in der Raumfahrt. Hier kommt es extrem auf Zuverlässigkeit, Größe und Gewicht an“, so Gensch. „Die permanente Kontrolle von Laserparametern durch unsere Technologie könnte substantiell zum Erfolg von zukünftigen, Kurzpulslasern verwendenden, Missionen beitragen.“

Das DLR-Institut für Optische Sensorsysteme arbeitet mit dem Start-up-Unternehmen TeraSpinTec, der TU Berlin, der FU Berlin und der TU Dresden an der Entwicklung eines ersten kompakten raumfahrtauglichen Terahertz Time-Domain Spektrometers. Ein weiteres gemeinsames Ziel ist es dabei, den technologischen Reifegrad der spintronischen Emitter weiter voranzutreiben. Dabei bringen die DLR-Wissenschaftlerinnen ihre jahrelange Expertise zum Bau kompakter, raumfahrttauglicher optischer Instrumente ein. Hierzu zählt beispielsweise das derzeit kurz vor der Fertigstellung stehende Raman-Spektrometers RAX für die robotische Raumsonde Martian Moons eXploration der japanischen Raumfahrtbehörde JAXA.

Im Projekt „Integrated THz time-domain spectrometer for space applications (ITISA)” arbeitet das Institut für Optische Sensorsysteme mit Partnern an der Entwicklung eines raumfahrttauglichen Time-Domain Spektrometers das auf Kurzpulslasern beruht und sich beispielsweise bei Landemissionen für Gesteinsanalysen einsetzen lassen könnte.

Kurzpulslaser haben die Laseranalytik revolutioniert

Ultrakurze Laserpulse ermöglichen in der modernen Optik und Photonik völlig neue spektroskopische Messtechniken und Anwendungen. Diese reichen von der Grundlagenforschung über die Material- und Umweltanalytik bis zur Medizintechnik. In der Metrologie ermöglichen Kurzpulslaser hochpräzise Zeitmaßstäbe beispielsweise für die Satellitennavigation. Mit Hilfe der Laserspektroskopie lassen sich ultraschnelle Abläufe beobachten, wie chemische Reaktionen oder elektronische Vorgänge in Atomen.

Das Projekt „Terahertz-Emitter zur Charakterisierung von ultrakurzen XUV-Laserpulsen“ wird durch DLR-interne Forschungsvorhaben und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Schwerpunktprogramms „Integrated TERahERTZ sySTems enabling novel functionality (INTEREST)“ gefördert.

An der Studie „Terahertz-Emitter zur Charakterisierung von ultrakurzen XUV-Laserpulsen“ sind mit dem DLR-Institut für Optische Sensorsysteme elf weitere Forschungseinrichtungen und Universitäten beteiligt:

Original-Publikation:
I. Ilyakov, N. Agarwal, J.-C. Deinert, J. Liu, A. Yaroslavtsev, L. Foglia, G. Kurdi, R. Mincigrucci, E. Principi, G. Jakob, M. Kläui, T. S. Seifert, T. Kampfrath, S. Kovalev, R. E. Carley, A. O. Scherz, and M. Gensch, "Terahertz-wave decoding of femtosecond extreme-ultraviolet light pulses," Optica 9, 545-550 (2022).

Kontakt
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Femtosekunden

Eine Femtosekunde entspricht 10^-15 Sekunden – der Millionste Teil einer Milliardstel Sekunde. In einer Femtosekunde legt Licht eine Strecke von 0,3 Mikrometer zurück. Dies entspricht rund dem Hundertstel Durchmesser eines menschlichen Haares.

Terahertzwellen

Terahertzwellen sind elektromagnetische Wellen, deren Frequenzen zwischen denen von Mikrowellen und der Infraroten Wärmestrahlung liegt. Die Wellenlängen liegen im Sub-Millimeter-Bereich.

Time-Domain-Spektrometer

Spektroskopieverfahren, bei dem der zeitlichen Verlauf eines Messsignal gemessen wird. Im Falle der Terahertzpulse ist dies das zeitlich veränderliche elektrische Feld.

Photonik

Photonik leitet sich vom griechischen Wort „Photon“ (Lichtteilchen) ab. Sie beschreibt ein Gebiet der modernen Optik, das einen Bereich der Physik zur Nutzung elektromagnetischer Strahlung (beispielsweise Licht) für die Informationstechnik und -verarbeitung umfasst.

ultrakurze Laserpulse

Ultrakurzpulslaser erzeugen Lichtpulse im Femtosekunden-Bereich. Diese lassen sich in vielen Bereichen der Photonik und nichtlinearen Optik einsetzen. Ihr breites und stabiles Frequenzspektrum ermöglicht in der Metrologie hochpräzise Zeitmessungen. In Laboranalytik lassen sich mit Ultrakurzpulslasern beispielsweise Vorgänge in Atomen oder chemische Reaktionen beobachten. Weitere Anwendungsfelder liegen in der Augenheilkunde und der Zahnmedizin.