Einer für alle Farben – Universaldetektor für ultrakurze 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.