Instrumentierung für den Ultrabreitbandbereich

Die Heisenbergsche Unschärferelation verbindet die Zeit mit der Energie: Je kürzer ein elektromagnetischer Puls in der Zeit ist, desto mehr Frequenzen enthält er. Das Ziel dieses Projektes ist, den kürzest möglichen Lichtpuls zu erzeugen, denn nur damit lassen sich die schnellen Reaktionen auf atomarer Ebene, wie sie die MAP-Wissenschaftler untersuchen wollen, auch wirklich erschließen. Im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums (etwa zwischen 400 und 800 Nanometer) dauert der kürzeste Puls (bestehend aus einer Einzelschwingung) etwa 2-3 Femtosekunden (10^-15 sec). Noch kürzere Pulse können also nur durch eine Verschiebung der Frequenz in den Bereich des extremen Ultravioletts und weichen Röntgenstrahlung zwischen 10 und 100 Nanometer Wellenlänge gelingen.

Das stellt jedoch an alle optischen Geräte völlig neuartige Anforderungen: Statt Linsen verwenden die Physiker zur Fokussierung Spiegel, die ein großes Frequenzspektrum reflektieren können. Diese besonderen Spiegel bestehen aus Interferenz-Multischichten auf superpräzisen Optiksubstraten, die sich je nach Aufgabenstellung aus unterschiedlichen mehrlagigen Schichten mit Nanometer Schichtdicken und atomarer Grenzflächenpräzision zusammensetzen. Ziel ist es, einen Interferenzspiegel mit extrem kurzer „Pulsantwort“ zu entwickeln, d.h. der Spiegel reflektiert den kürzestmöglichen Puls. Manche Lichtquellen liefern das Licht auch bereits zeitlich nach Frequenzen getrennt („gechirpt“); mit Hilfe spezieller Multischichten-Spiegel kann es dann wieder vereinigt werden zu einem extrem kurzen Puls.

Mit welcher „Stoppuhr“ lassen sich so kurze Zeiten von weniger als einer Femtosekunde überhaupt messen? Hierfür entwickeln Wissenschaftler in MAP mehrere neuartige Detektoren für ultrakurze Lichtpulse. So werden am HLL Halbleiterdetektoren entwickelt, die die räumliche und spektrale Zusammensetzung der weichen Röntgenstrahlungspulse simultan messen können. In einem weiteren Detektor „verwandeln“ die MAP-Physiker den Röntgenpuls in einen Elektronenpuls, der in dem elektromagnetischen Wechsel-Feld eines zweiten nachfolgenden optischen Laserpulses je nach Amplitude beschleunigt oder abbremst. Die gemessene Geschwindigkeit der Elektronen in Abhängigkeit von der zeitlichen Verzögerung zwischen beiden Pulsen liefert so ein genaues zeitliches Abbild beider beteiligter Pulse.

1) V. Pervak et al., “1.5-octave chirped mirror for pulse compression down to sub-3 fs”, Appl. Phys. B (accepted for publication).

2) A. Wonisch, U. Kleineberg et al., “Aperiodic nanometer multilayer systems as optical key components for attosecond electron spectroscopy”, Thin Solid Films 464, 473 (2004);
A. Wonisch, et al., “Design, fabrication, and analysis of chirped multilayer mirrors for reflection of XUV attosecond pulses”, Applied Optics 45, 4147 (2006);
V. Pervak, A. Apolonskiy et al., “Synthesis and manufacturing mirrors for ultrafast optics”, SPIE 5963, 59631P (2005).

3) B. Aschenbach et al., “Imaging performance of the XMM-Newton X-ray telescopes”, SPIE 4012, 731 (2000).

4) L. Strüder et al., “The European photon imaging camera on XMM-Newton: the pn-CCD camera”, Astronomy and Astrophysics 365 L18 (2001).