Icon up Overzicht

Femtolasers aan de VU

Onderwerp: Elektromagnetisch spectrum, Licht, Optica (licht en lenzen) (havo), Trilling en golf

Dit artikel is de eerste van een reeks artikelen over femtolasers. De stof is voor lezers met kennis van middelbareschoolnatuurkunde goed begrijpbaar. Dit materiaal is tot stand gekomen met medewerking van onderzoekers van de Vrije Universiteit van Amsterdam. Bij dit artikel horen ook de artikelen Multimodes, Fourier, Photonic Fibre en Faseregeling.

 

Een femtolaser is een laser die pulsen kan produceren in de orde van femtoseconden. De pulsen zijn zeer energiek. Hoe creëer je zo'n puls en wat kan je ermee? De onderzoekers aan het woord.

Er wordt een spectaculair onderzoek opgezet door onderzoekers van het Laser Centre van de Vrije Universiteit Amsterdam: Kjeld Eikema, Stefan Witte en Roel Zinkstok.

Met de opstelling kunnen uiterst korte pulsen infrarood laserstraling met een geweldig hoog vermogen en een goed gecontroleerde fase opgewekt worden. Door gebruik te maken van speciale lichtversterkers zal het mogelijk worden pulsen korter dan 5 femtoseconden te maken met een piekvermogen van meer dan een TeraWatt. De lengte van zo'n superkorte flits is maar een paar duizendste millimeter, terwijl hij reist met lichtsnelheid. Het piekvermogen is groter dan dat van duizend elektriciteitscentrales samen!

Waarom zo kort: femtoseconden?

Kjeld legt het even uit: "Het is de bedoeling om met deze pulsen nog kortere Röntgenpulsen op te wekken. Je mag het beschouwen als een superstroboscoop: snel genoeg voor de snelste fenomenen die er bestaan. Er kan dan met dit Röntgenlicht heel precies worden 'bekeken' hoe moleculen stap voor stap van vorm veranderen. Dat is belangrijk als je bijvoorbeeld de biologische functies van moleculen in het netvlies van je oog wilt bestuderen. Die veranderen in femtoseconden van vorm als ze het licht opvangen dat je oog binnenkomt en geven vervolgens een signaal af naar je hersenen, zodat je kunt zien.

Ook kunnen er korte intense pulsen licht worden opgewekt waarmee onderzoek gedaan kan worden naar energie-overgangen van het element waterstof. 1H (Deuterium 2H, Tritium 3H), anti-waterstof en Heliumisotopen (2He, 3He,4He). Daarmee kunnen belangrijke elementen in de theoretische natuurkunde zoals de Quantum ElectroDynamica onderzocht worden."

En dat hoge vermogen?

"We bundelen de intense infraroodpulsen in onze meetopstelling in een gas. Omdat de intensiteit zo hoog is, ontstaat er Röntgenstraling met een nog kortere pulsduur: je mag denken aan 100 attoseconden. Voorwaarde is dan wel dat je de fase van de pulsen heel goed kan controleren, zodat je precies kan bepalen wanneer en hoe die Röntgenpuls gemaakt wordt."

LASER. Je hebt allemaal wel eens gehoord dat een laser veel verschillende toepassingen heeft: in een ziekenhuis bij operaties, in de industrie bij meten en bij precisiesnijden van materialen, in het leger als wapen en natuurlijk in Sciencefiction films voor de geweldige lichteffecten. Wonderlijk genoeg komt dit veelzijdige instrument voort uit zuiver wetenschappelijk onderzoek. De ontdekkers ervan konden aanvankelijk geen enkele toepassing bedenken. Een LASER maakt gebruik van Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Een externe energiebron stuurt elektrische- of lichtenergie naar de atomen van de stof die gaat laseren. Als die vervolgens wat lichtdeeltjes (fotonen) uitzenden die in de juiste richting gaan lopen tussen twee spiegels, kan de intensiteit van de bundel toenemen. Dat kan omdat de aangeslagen atomen telkens fotonen meegeven met dezelfde golflengte en dezelfde fase als de passerende fotonen. In dat geval is de bundel coherent.

De opstelling in het lab.

In déze opstelling is de energie ook afkomstig van een (groene) laser. De lichtenergie wordt ingespiegeld aan de zijkant van de behuizing van de onderzoekslaser. Het element dat uiteindelijk de infrarode onderzoekspulsen gaat geven bestaat uit een kristal Ti:saffier. De straling wordt binnen de behuizing weerkaatst door twee spiegels die heel nauwkeurig instelbaar zijn. Dat is nodig om de pulsen regelmatig uit de laser te laten komen.

De instelspiegel is daarvoor voorzien van een gevoelig piëzo-element. Piëzomateriaal verandert van lengte als je er een spanning op aansluit. Dan verschiuven de atomen een klein beetje in het rooster waarin ze zitten. Bij kleine afwijkingen van de lengte van de laser wordt dus de spanning op dit element veranderd zodat de lengte constant gehouden kan worden tot op 2 picometer nauwkeurig: een afstand kleiner dan de diameter van een atoom! De laserbundel die verder mag, gaat door een van de halfdoorlatende spiegels naar de meetopstelling en wordt gebruikt voor het verdere onderzoek.

Als de onderzoekslaser aangezet wordt is de bundel nog niet op volle sterkte en erg smalbandig: er worden te weinig verschíllende golflengtes opgewekt.

Waarom er zoveel golflengtes nodig zijn? Klik op "multimodes".

Om een sterke infraroodbundel met veel modes op te wekken, moet er nog een heel bijzondere actie uitgevoerd worden. Door een klap(je) tegen de achterkant van de behuizing wordt het Ti:saffier kristal eventjes van slag gebracht. Daarna corrigeert het zichzelf en ontstaat de gewenste breedbandige infrarood bundel.

 

Kjeld verklaart: "Er wordt hier gewerkt met een laser die heel veel modes tegelijk opwekt: daarmee kun je juist van die korte pulsen opwekken."

De opgewekte laserbundel passeert vervolgens een aantal gedeeltelijk reflecterende spiegels. De afgetapte straling wordt gebruikt om de laser goed in te stellen. De bundel komt terecht in een heel bijzondere glasvezel: een Photonic Fibre.

De photonic fibre, een speciale glasvezel

Deze zorgt ervoor dat de intense smalbandige infraroodbundel, aan de linkerkant, omgezet wordt in een veel breedbandiger bundel. Nadat de straling gebundeld is door de glasvezel, ontstaat er straling in vrijwel het gehele zichtbare spectrum van 400 tot 800 nm. Dat geeft de witte lichtbundel aan de uitgang.

De stralengang van de onderzoekslaser naar de prisma.

Dat is goed te zien als het licht daarna door een prisma geleid wordt.

Aan het spectrum dat het prisma verlaat, zie je dat bijna alle golflengtes in het zichtbare gebied aanwezig zijn.

Wil je meer weten van de werking van deze fibre? Klik op Intermezzo: photonic fibre.

Het doel van deze omzetting is de fase van de laser te kunnen regelen. Door interferentie, in de vorm van zwevingen, te meten kan iedere kleine afwijking van de beginfase van de pulsen bijgeregeld worden. Dat kun je doen door de intensiteit van de groene pomplaser een beetje te veranderen. Als referentie wordt daarbij een Rubidium atoomklok gebruikt.

Verder in de meetopstelling wordt de fase dan nog eens bijgeregeld met een speciaal filter. Voor een korte uitleg: klik op Intermezzo: faseregeling.

Omzetting in Röntgenstraling.

Mooi, we hebben nu heel korte infrarood pulsen met een gecontroleerde fase, maar wat ga je daarmee onderzoeken?

Kjeld: "We gaan ze bundelen in een gas, bijvoorbeeld Argon. Dat levert uiteindelijk onze superstroboscoop op. Het vermogen moet dan groter zijn dan 1015 Watt per cm2. De elektronen ontsnappen vrijwel ogenblikkelijk aan de aantrekkingskracht van de kern van het atoom als ze energie opnemen uit de elektromagnetische laserstraling. Ze worden daarbij aangedreven door de elektrische component. Na korte tijd keren ze terug naar het achtergebleven ion en staan hun energie af in de vorm van een extreem korte Röntgenpuls. Deze Röntgenpuls is korter dan een miljoenste van een miljardste van een seconde!

Een elektron geeft bij een terugval een röntgenpuls af.

Om te voorkomen dat er te veel gasatomen geïoniseerd raken, moet de aandrijvende infrarood puls niet langer dan een paar femtoseconden duren."

© Rob Ouwerkerk 2002 © Foto's en afbeeldingen: Kjeld Eikema, Stefan Witte, Roel Zinkstok, Rob Ouwerkerk. © Applets: R.O.en www.femto-welt.de