Persbericht: Een laser bij extreem ultraviolette golflengtes

In het Lasercentrum Vrije Universiteit (LCVU) zijn onderzoekers erin geslaagd laserstraling te produceren met golflengtes tussen 40 en 100 nm met hoge spectrale zuiverheid. Dit resultaat zal in het 11-17 oktober nummer (2003) van Physical Review Letters gepubliceerd worden. Op 16 Oktober is het artikel reeds in elektronische vorm op de website van PRL verschenen. Een reprint van het Artikel is bijgevoegd.

Extreem ultraviolet

Het elektromagnetische spectrum strekt zich uit van radiogolven (zeer lange golflengtes) tot de röntgenstralen (zeer korte golflengtes). Daartussen ligt het domein van het verre infrarood, het nabije infrarood, zichtbaar licht, ultraviolet, en het extreme ultraviolet. waar het bij zichtbaar licht gaat om golflengtes tussen 400 nm (nm = nanometer, 10-9 meter, of een miljardste meter) en 750 nm (van blauw naar rood), gaat het bij extreem ultraviolet om golflengtes tussen 30 en 100 nm. Extreem ultraviolette straling, ook wel aangeduid als XUV, is dus een vorm van licht, maar onzichtbaar voor het menselijk oog. Er bestaan geen venstermaterialen voor XUV-licht, en bovendien is de atmosfeer (lucht) niet transparant voor deze korte golflengtes. Om die reden moet het licht geproduceerd worden in een vacuüm opstelling, en ook daarbinnen gemeten worden; alle toepassingen moeten ook in dezelfde vacuüm opstelling plaatsvinden, omdat het licht niet naar buiten getransporteerd kan worden.

XUV-lasers

Extreem ultraviolette straling wordt opgewekt via het proces van harmonische conversie, waarbij intense en korte laserpulsen met een lens worden gefocusseerd in een gaswolkje (in dit geval Argon of Krypton gas). In het focus ontstaat er dan een enorm hoge lichtintensiteit (1013 W/cm2; 10000 MegaWatt per vierkante cm), waardoor een elektron uit het atoom wordt geslingerd; dat elektron wordt dan versneld in het elektromagnetische veld (=licht) en komt daarna weer in botsing met het geladen atoom, waarna de straling wordt uitgezonden. Natuurkundige symmetrie- en behoudswetten dicteren dan dat het extreme ultraviolette licht wordt uitgezonden in fase en in lichtstraal, die zich voortplant in voorwaartse richting; verder is het licht zeer coherent (spectraal zuiver) en de golflengtes zijn exacte harmonischen van de inkomende golflengte van de gebruikte laser. Zo is bijvoorbeeld de 19e harmonische geproduceerd van een laser bij 780 nm en dat geeft licht bij 41 nm (780 gedeeld door 19). Het proces van hoge-harmonische generatie is reeds bekend en wordt in Nederland ook toegepast op het FOM-instituut voor Atoom- en Molekuul-Fysika, maar het speciale van het nu bereikte resultaat ligt in de spectrale zuiverheid: de bandbreedte van het geproduceerde licht (Dl) is een-honderd-duizendste van de golflengte (Dl/l = 10-5). Een tweede bijzonderheid van de VU-laser is dat de golflengte in kleine stapjes verstemd kan worden.

SBS-compressor 

Een speciaal onderdeel van de laseropstelling is de zg. SBS-pulscompressor. Een intense laserpuls met een duur van 6 ns (nanoseconden) wordt daarbij omgezet in een puls van 300 ps (picoseconden); die puls is daarmee een factor 20 korter geworden en als gevolg daarvan is de lichtintensiteit in het focus een factor 20 hoger. Dat is een cruciale stap gebleken bij het bereikte resultaat.

Toepassingen

Het zo geproduceerde XUV-licht kan worden toegepast voor studie van absorptie-eigenschappen van moleculen. Zo wordt er op dit moment in het Lasercentrum VU onderzoek verricht aan de absorptie van XUV-licht door stikstof moleculen (N2). Daarmee wordt een laboratoriumsituatie geschapen waarmee de inval van door de zon uitgestraalde XUV-straling wordt geabsorbeerd in hoge lagen van de aardse atmosfeer (op 100-150 km hoogte in de ionosfeer). Vooral de golflengte-verstembaarheid van de XUV-lasers is daarbij van groot belang, want het blijkt dat de absorptie door stikstof, en ook zuurstof moleculen, sterk van de golflengte afhankelijk is.
Voor de verdere toekomst zou de XUV-laser ook kunnen worden aangewend in lithografie, d.w.z. bij de chipsfabricage; het "schrijven" van steeds kleinere structuren vergt steeds kortere golflengtes. De lichtintensiteit, die bereikt is bij de nieuwe laser is echter nog verre van onvoldoende voor deze toepassing.

Onderzoekers

De experimenten zijn uitgevoerd door Fernando Brandi, een Italiaanse promovendus in dienst als AIO in het Lasercentrum VU, en door Dr. Dragomir Neshev, een Bulgaarse Post-Doc die met een "Marie-Curie postdoc-beurs" (van de Europese Unie)  1 ½ jaar in Amsterdam verbleef, en  Prof. Wim Ubachs, die verbonden is aan het Lasercentrum VU, en als deeltijdhoogleraar aan de TU Eindhoven. Dr. Neshev is inmiddels werkzaam op de Australian National University in de Australische hoofdstad Canberra.

Voor meer informatie: Prof. Wim Ubachs, Laser Centrum Vrije Universiteit; tel: 020-5987948
email: w.m.g.ubachs@vu.nl
en websites: http://www.nat.vu.nl/~wimu