Projekt MEGAS – Megahertz-Attosekundenpulse zur ultraschnellen Photoelektronenmikroskopie

© Fraunhofer IOF

Edelgas-befüllte Druckkammer mit lichtführender Hohlkernfaser. Das Gas und das Licht interagieren miteinander. Die Folge: Das optische Spektrum verbreitert sich, die Pulse werden kürzer (30 fs).

Forscherinnen und Forscher der Fraunhofer-Institute für Ange­wandte Optik und Feinmechanik IOF und für Lasertechnik ILT haben gemeinsam mit ihren Kollegen des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik erstmals ein Photoelektronenspektrometer entwickelt, dass nicht im Kilohertz-Bereich, sondern bei 18 Megahertz arbeitet. Das heißt: Es treffen mehrere Tausend Mal mehr Pulse auf die Oberfläche als in herkömmlichen Spektro­metern. Das wirkt sich drastisch auf die Zeit aus, die für eine solche Messung benötigt wird. »Messungen, die vorher fünf Stunden gedauert haben, führen wir nun in zehn Sekunden durch«, sagt Dr. Oliver de Vries, Wissenschaftler am Fraunhofer IOF.

Das entwickelte Spektrometer besteht aus drei Hauptkom­ponenten: Dem Ultrakurzpuls-Lasersystem, dem Überhö­hungsresonator und der Probenkammer mit dem eigentlichen Spektrometer. Als Ausgangslaser verwenden die Forscher einen phasenstabilen Titan-Saphir-Laser. Seinen Laserstrahl verändern sie in der ersten Komponente: Durch Vorverstärker und Verstärker schrauben sie die Leistung von 300 Mikrowatt auf 110 Watt hoch – steigern sie also auf das Millionenfa­che. Zum anderen verkürzen sie die Pulse. Dazu wenden die Forscher einen Trick an: Sie schicken den Laserstrahl mehrere zig Male durch einen Festkörper, der das Spektrum verbreitert. Schiebt man diese so erzeugten neuen Frequenzanteile des Pulses nun wieder zusammen – kombiniert also alle Frequen­zen phasenrichtig – verkürzt sich die Pulsdauer.

Der Prototyp des Photoelektronenspektrometers ist fertig, er befindet sich am Garchinger Max-Planck-Institut. Dort wird er derzeit für Untersuchungen genutzt und gemeinsam mit den Fraun­hofer-Forscherinnen und -Forschern weiter optimiert.