Wie man Laserpulse richtig verstärkt
Ultrakurze, hochenergetische Laserpulse lassen sich vielseitig einsetzen. Sei es zur hochpräzisen Bearbeitung von Oberflächen, dem Abtragen von Gewebe bei Augenoperationen, der Beobachtung von besonders schnellen Abläufen in Molekülen oder der Entschlüsselung von fragilen Proteinstrukturen. Die dazu eingesetzten Lasersysteme sind jedoch meist komplex und für einen sehr spezifischen Zweck konstruiert. Im Zuge seiner Dissertation beschäftigte sich Andreas Deutschmann-Olek daher mit der Frage, wie sich die Erzeugung hochenergetischer Laserpulse durch kontrollierte Manipulation mittels mathematischer Algorithmen verbessern, flexibilisieren und automatisieren lässt.
Ein wesentliches Hindernis bei der Erzeugung größtmöglicher Spitzenenergien stellt die Selbstzerstörung des Mediums durch die enormen Leistungsdichten ultrakurzer Laserpulse dar, welche durch bekannte Techniken der gechirpten Pulsverstärkung umgangen werden. Dabei werden die zu verstärkende Pulse eines Oszillators zuerst durch positive Dispersion zeitlich gedehnt, danach verstärkt und letztlich durch entsprechende negative Dispersion wieder rekomprimiert. Solche Verstärker weisen für ultra-kurze Laserpulse jedoch ein zunehmend komplexes und nichtlineares Verhalten auf, welches eine vollständige Rekompression verhindert und zu stark deformierten Pulsen mit viel geringeren Spitzenenergien führt. Die intrinsische Verkopplung aufeinanderfolgender Pulse kann darüber hinaus zu einer Destabilisierung des Verstärkungsprozesses und chaotischem Verhalten durch periodenverdoppelnde Bifurkationen führen, wodurch ein sicherer und stabiler Betrieb bei hohen Ausgangsleistungen verhindert wird. Dies ist besonders bei schnell aufeinander folgenden Pulsen der Fall, welche durch den erzielbaren Durchsatz in vielen Anwendungen vorteilhaft wären.
Maßgeschneiderte Quellenpulse könnten sich durch die optischen Nichtlinearitäten des Lasermediums just zu einem gewünschten Ausgangspuls deformieren. Sie sind jedoch vorab nur schwer zu berechnen und anfällig gegenüber kleinsten Abweichungen im Verhalten des Lasers. In seiner Arbeit hat Andreas Deutschmann-Olek gezeigt, dass solche Pulse auch durch iterativ lernende Algorithmen auf Basis von Messungen der resultierenden Ausgangspulse möglich sind, wobei sich der Algorithmus laufend an den Zustand des Lasers anpasst. Zusätzlich reagiert der Algorithmus auf Energiefluktuationen der erzeugten Pulse und kann so Bifurkationen unterdrücken und den Verstärker durch Rückkopplung künstlich stabilisieren.