Chirped Pulse Amplification

Chirped Pulse Amplification

Chirped Pulse Amplification (CPA) (dt.: Verstärkung gechirpter Pulse) ist eine Methode in der Laserphysik, die es erlaubt, Laserpulse mit sehr hoher Intensität zu erzeugen. CPA wird auch synonym für eine optische Baugruppe verwendet, welche die Methode nutzt.

Mit diesem Verfahren können maximale Pulsspitzenleistungen im sog. Petawatt-Bereich (gemeint sind mehr als 1015 W) erreicht werden. So hohe Spitzenleistungen können von Laserstrahlquellen nicht direkt erzeugt werden, da üblicherweise die Verstärkermedien des Lasers durch nichtlineare optische Effekte zerstört würden. Daher werden Laserpulse außerhalb des Resonators in einem Verstärker räumlich gestreckt, wodurch sich ihre Energiedichte verringert, und durchlaufen dann ein Verstärkermedium. Nach der Verstärkung werden sie komprimiert und mit der dann höheren Leistungsdichte in Experimenten oder industriellen Anwendungen eingesetzt.

Mit CPA wurden Laser mit Intensitäten von bis zu 1022 W/cm² bei einer Pulslänge von einigen Femtosekunden aufgebaut.

CPA wurde von Gérard Mourou und Donna Strickland 1985 eingeführt[1].

Prinzip

Datei:Chirped laser amplifier deutsch.png
Schematischer Aufbau eines CPA

Je kürzer ein Lichtpuls ist, desto breiter ist das Spektrum der enthaltenen Frequenzen. Dies ergibt sich aus der Beschreibung des Lichtpulses als Wellenpaket (siehe selbiger Artikel). Für ein Gauß'sches Wellenpaket gilt folgende Beziehung zwischen zeitlicher Länge Δt und spektraler Breite Δω:

$ \Delta t\propto\frac{1}{\Delta \omega}. $

Licht unterschiedlicher Frequenz kann durch optische Komponenten unterschiedlich gebrochen, bzw. verzögert werden. Durch Anordnung optischer Bauelemente, verwendet werden hauptsächlich Gitter und Prismen, lassen sich die unterschiedlichen Frequenzanteile des (kurzen) Laserpulses unterschiedlich verzögern und den Puls räumlich auseinanderziehen und wieder komprimieren. Bildlich gesprochen eilen die roten (niederfrequenten) Anteile dem Puls voran, während die blauen (hochfrequenten) Anteile stärker verzögert werden (oder umgekehrt, je nach Vorzeichen der Dispersion). Der Gesamtpuls wird dadurch verlängert und die Pulsspitzenleistung entsprechend gesenkt. Die Intensität kann dann durch Verstärkung wieder bis unterhalb des Einflusses nichtlinearer optischer Effekte im Verstärkermedium erhöht werden.

Das Aufweiten bzw. die Kompression ist in der Abbildung schematisch dargestellt. Ein erstes Gitter fächert das Licht frequenzabhängig auf. Ein zweites Gitter wird so aufgestellt, dass es das Licht parallelisiert, dabei aber ebenfalls eine Aufweitung bzw. Kompression bewirkt. Ein Spiegel reflektiert das Laserlicht so, dass der Strahl die Gitter erneut passiert und dabei weiter aufgeweitet bzw. komprimiert wird. Mit parallel zueinander stehenden Gittern erhält man eine positive Dispersion (das blaue Ende ist schneller). Mit einem einfachen Linsensystem zwischen den Gittern lassen sich diese zueinander verkippen und man erhält eine negative Dispersion (das blaue Ende ist langsamer).

Einzelnachweise

  1. D. Strickland, G. Mourou: Compression of amplified chirped optical pulses. In: Optics communications, Vol. 55, Nr. 6. 1985, S. 447–449.

Diese Artikel könnten dir auch gefallen



Die letzten News


07.06.2021
Gammablitz aus der kosmischen Nachbarschaft
Die hellsten Explosionen des Universums sind möglicherweise stärkere Teilchenbeschleuniger als gedacht: Das zeigt eine außergewöhnlich detaillierte Beobachtung eines solchen kosmischen Gammastrahlungsblitzes.
31.05.2021
Verblüffendes Quantenexperiment wirft Fragen auf
Quantensysteme gelten als äußerst fragil: Schon kleinste Wechselwirkungen mit der Umgebung können zur Folge haben, dass die empfindlichen Quanteneffekte verloren gehen.
31.05.2021
Symmetrie befördert Auslöschung
Physiker aus Innsbruck zeigen in einem aktuellen Experiment, dass auch die Interferenz von nur teilweise ununterscheidbaren Quantenteilchen zu einer Auslöschung führen kann.
31.05.2021
Wie Wasser auf Eisplaneten den felsigen Untergrund auslaugt
Laborexperimente erlauben Einblicke in die Prozesse unter den extremen Druck- und Temperatur-Bedingungen ferner Welten. Fragestellung: Was passiert unter der Oberfläche von Eisplaneten?
31.05.2021
Neues Quantenmaterial entdeckt
Auf eine überraschende Form von „Quantenkritikalität“ stieß ein Forschungsteam der TU Wien gemeinsam mit US-Forschungsinstituten. Das könnte zu einem Design-Konzept für neue Materialien führen.
27.05.2021
Wenden bei Höchstgeschwindigkeit
Physiker:innen beobachten neuartige Lichtemission. und zwar wenn Elektronen in topologischen Isolatoren ihre Bewegungsrichtung abrupt umdrehen.
27.05.2021
Mit Klang die Geschichte der frühen Milchstraße erkunden
Einem Team von Astronominnen und Astronomen ist es gelungen, einige der ältesten Sterne in unserer Galaxie mit noch nie dagewesener Präzision zu datieren.
11.05.2021
Teleskop zur Erforschung von Objekten höchster Dichte im Universum
Eine internationale Gruppe von Astronomen hat erste Ergebnisse eines groß angelegten Programms vorgestellt, bei dem Beobachtungen mit dem südafrikanischen MeerKAT-Radioteleskop dazu verwendet werden, die Theorien von Einstein mit noch nie dagewesener Genauigkeit zu testen.
11.05.2021
Quantencomputing einfach erklärt
„Quantencomputing kompakt“ lautet der Titel eines aktuellen Buchs, das Bettina Just veröffentlicht hat. Die Mathematikerin und Informatikerin, die an der Technischen Hochschule Mittelhessen (THM) lehrt und forscht, behandelt darin ein Teilgebiet der Informationstechnik mit großem Entwicklungspotenzial.
11.05.2021
Auf dem Weg zum kleinstmöglichen Laser
Bei extrem niedrigen Temperaturen verhält sich Materie oft anders als gewohnt.
07.05.2021
Die Entdeckung von acht neuen Millisekunden-Pulsaren
Eine Gruppe von Astronomen hat mit dem südafrikanischen MeerKAT-Radioteleskop acht Millisekunden-Pulsare entdeckt, die sich in Kugelsternhaufen mit hoher Sterndichte befinden.
04.05.2021
Handfeste Hinweise auf neue Physik
Das Fermilab (USA) hat heute erste Daten aus dem Myon g-2 Experiment veröffentlicht, welche die Messwerte des gleichnamigen, 2001 durchgeführten Experiments am Brookhaven National Laboratory bestätigen.
04.05.2021
Neuer Exoplanet um jungen sonnenähnlichen Stern entdeckt
Astronomen aus den Niederlanden, Belgien, Chile, den USA und Deutschland bilden neu entdeckten Exoplaneten „YSES 2b“ direkt neben seinem Mutterstern ab.
07.04.2021
Myon g-2: Kleines Teilchen mit großer Wirkung
Das Myon g-2-Experiment des Fermilab in den USA steht vor einem Sensationsmoment, der die Geschichte der Teilchenphysik neu schreiben könnte. Und vielleicht sogar Hinweise auf noch unbekannte Teilchen im Universum gibt.
02.04.2021
Zwei merkwürdige Planeten
Uranus und Neptun habe beide ein völlig schiefes Magnetfeld.
02.04.2021
Der erste interstellare Komet könnte der ursprünglichste sein, der je gefunden wurde
Neue Beobachtungen mit dem Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) deuten darauf hin, dass der abtrünnige Komet 2I/Borisov einer der ursprünglichsten ist, die je beobachtet wurden.
02.04.2021
Erstmals Atominterferometer im Weltraum demonstriert
Atominterferometer erlauben hochpräzise Messungen, indem sie den Wellencharakter von Atomen nutzen. Sie werden zum Beispiel für die Vermessung des Schwerefelds der Erde eingesetzt oder um Gravitationswellen aufzuspüren. Weitere Raketenmissionen sollen folgen.
02.04.2021
Sendungsverfolgung für eine Quantenpost
Quantenkommunikation ist abhörsicher, aber bislang nicht besonders effizient.
25.03.2021
Astronomen bilden Magnetfelder am Rand des Schwarzen Lochs von M 87 ab
Ein neuer Blick auf das massereiche Objekt im Zentrum der Galaxie M 87 zeigt das Erscheinungsbild in polarisierter Radiostrahlung.
24.03.2021
Die frühesten Strukturen des Universums
Das extrem junge Universum kann nicht direkt beobachtet werden, lässt sich aber mithilfe mathematischer Theorien rekonstruieren.
24.03.2021
Können Sternhaufen Teilchen höher beschleunigen als Supernovae?
Ein internationales Forschungsteam hat zum ersten Mal gezeigt, dass hochenergetische kosmische Strahlung in der Umgebung massereicher Sterne erzeugt wird. Neue Hinweise gefunden, wie kosmische Strahlung entsteht.
24.03.2021
Neue Resultate stellen physikalische Gesetze in Frage
Forschende der UZH und des CERN haben neue verblüffende Ergebnisse veröffentlicht.
21.03.2021
Elektronen eingegipst
Eine scheinbar einfache Wechselwirkung zwischen Elektronen kann in einem extremen Vielteilchenproblem zu verblüffenden Korrelationen führen.
21.03.2021
Chromatischer Lichtteilcheneffekt für die Entwicklung photonischer Quantennetzwerke enthüllt
Es ist ein weiterer Schritt auf dem Weg zur Entwicklung von Anwendungen der Quanteninformationsverarbeitung. In einem Schlüsselexperiment ist es gelungen, die bislang definierten Grenzen für Photonenanwendungen zu überschreiten.
18.03.2021
Stratosphärische Winde auf Jupiter erstmals gemessen
Mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) hat ein Team von Astronomen zum ersten Mal die Winde in der mittleren Atmosphäre des Jupiters direkt gemessen.