Ein Durchbruch in der Laserforschung gelang an der Technischen Universität Wien: In den Labors des Instituts für Photonik wurde eine Methode entwickelt, helle Laserpulse im Röntgenbereich zu erzeugen. Die dadurch gewonnene Röntgenstrahlung deckt einen breiten Energiebereich ab und eignen sich daher bestens für viele verschiedene Anwendungen – von der Materialwissenschaft bis zur Medizin. Ähnliche Arten von Strahlung konnten bisher nur in großen Teilchenbeschleunigern (Synchrotrons) hergestellt werden, nun ist das auch im Laserlabor möglich.

Ein infraroter Laserpuls (links) trifft auf einen Gasbehälter, wo er die Atome zur Emission von Röntgenstrahlung anregt. Durch ein Gitter (rechts) kann diese Röntgenstrahlung nach Wellenlänge zerlegt werden.

Laserlicht: Lichtteilchen, die im gleichen Takt schwingen
Laserstrahlung zeichnet sich dadurch aus, dass viele Photonen einer Lichtwelle gemeinsam im Takt schwingen – Wellenberg auf Wellenberg und Wellental auf Wellental – man spricht von „kohärenter Strahlung“. Das kohärente Licht, das nun in den Labors der Arbeitsgruppe von Professor Andrius Baltuska (Institut für Photonik, TU Wien) erzeugt wurde, hat ganz besondere Eigenschaften: Es setzt sich aus Photonen unterschiedlicher Energie zusammen – bis hin zu Röntgenstrahlung mit sehr kurzer Wellenlänge und hoher Energie.

Infrarot-Laser regt Atome zum Röntgen-Leuchten an
Als Energiequelle für diese Strahlung dienen kurze infrarot-Laserpulse. Sie werden auf ein Edelgas geschossen, wo sie einzelnen Atomen ein Elektron entreißen. Diese Elektronen werden vom Infrarot-Licht beschleunigt und kehren dann mit erhöhter Energie zu ihrem Atom zurück, wo sie ihre Bewegungsenergie in Form von Röntgenstrahlung abgeben. So werden langwellige Infrarot-Photonen in kurzwellige Röntgen-Photonen umgewandelt. Wenn im ganzen Gasbehälter die Atome diesen Tanz mit ihren Elektronen genau im richtigen Takt aufführen und sich die einzelnen Röntgen-Wellen perfekt addieren, dann entsteht Laser-artige Röntgenstrahlung. Beteiligt an diesem spektakulären Experiment waren Forschungsgruppen der TU Wien, der University of Colorado, der Cornell University (beide USA) und der Universidad de Salamanca (Spanien).

5000 Photonen zu einem einzigen kombiniert
Die Idee, mehrere Photonen in ein Photon mit höherer Energie umzuwandeln, ist nicht neu: Bereits 1961 gelang es, aus zwei Photonen eines rot strahlenden Rubinlasers ein einzelnes blaues Photon zu erzeugen. Das nun in Wien durchgeführte Experiment allerdings kombiniert über 5000 Photonen niederer Energie zu einem extrem hochenergetischen Röntgen-Photon.

100 Gigawatt Leistung
Die Infrarot-Photonen haben zwar wenig Energie, aber man benötigt sehr viele von Ihnen. Die Infrarot-Strahlungsquelle muss daher sehr stark sein. Verwendet wurde ein an der TU Wien entwickelter, weltweit einzigartiger Infrarot-Laser mit einer Spitzenleistung von 100 Gigawatt. Das entspricht mehreren hundert Wasserkraftwerken – allerdings nur für die Dauer des Laserpulses, in der Größenordnung von Femtosekunden (10^-15 Sekunden). Die Forschungsgruppe von der University of Colorado steuerte das Know-How für die Erzeugung der Röntgenstrahlung im Edelgas unter hohem Druck bei. Die Theorie-Gruppen aus Cornell und Salamanca untersuchten das Phänomen durch numerische Berechnungen.

Hantieren mit unsichtbarer Strahlung
„Gemeinsam überlegten wir, wie wir die technischen Möglichkeiten unserer Arbeitsgruppen am besten kombinieren könnten – und wählten schließlich den schwierigsten Weg“, erzählt Audrius Pugzlys (TU Wien). Das Team entschied sich für Infrarotstrahlung mit einer besonders großen Wellenlänge von vier Mikrometern. Diese Strahlung ist für das Auge unsichtbar und auch mit technischen Hilfsmitteln nur schwer sichtbar zu machen. Dadurch werden die Experimente aufwändiger, allerdings sind so höhere Röntgen-Energien möglich. Der Aufwand hat sich gelohnt. „Die Röntgenstrahlung ermöglicht höchst präzise Spektroskopie, die man etwa für die Erforschung von Materialien, für die Weiterentwicklung von Elektronik oder zur Analyse von Biomolekülen einsetzen kann“, sagt Audrius Pugzlys.

Laserlabor statt Teilchenbeschleuniger
Wer heute solche Strahlung benötigt, muss auf Synchrotronstrahlung aus teuren Teilchenbeschleunigern zurückgreifen. Die neue Röntgen-Lichtquelle hingegen passt auf einen großen Labortisch. „Ein Synchrotron liefert noch immer viel mehr Photonen pro Sekunde als unser Strahl, aber es gibt viele Anwendungen, für die man auch unsere Technologie einsetzen kann“, ist Pugzlys zuversichtlich. Der Bereich der extrem hochenergetischen harten Röntgenstrahlung kann noch nicht erreicht werden, doch die Photonen des Röntgenstrahles haben eine höhere Energie als in jedem anderen lichtbetriebenen Gerät. Derzeit arbeitet das Team daran, die Laserpulse in kürzeren Zeitabständen feuern zu können, dadurch ließe sich die mittlere Strahlintensität noch deutlich erhöhen.

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http://www.tuwien.ac.at Originalpublikation: http://www.sciencemag.org/content/336/6086/1287