Fühler an der Lichtwelle

Physiker des Labors für Attosekundenphysik am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und der Ludwig-Maximilians-Universität München haben einen neuartigen Detektor entwickelt, mit dem sie den Verlauf von Lichtwellen exakt bestimmen.

15. Januar 2020

Licht ist flüchtig. Es breitet sich mit fast 300.000 Kilometer pro Sekunde aus, seine Wellen schwingen einige Millionen Milliarden Mal pro Sekunde. Will man nun exakt mit Licht arbeiten und es steuern, dann muss man es sehr genau kennen. Sogar so genau, dass man weiß wo und zu welcher Zeit sich einzelne Wellenberge und Täler von Lichtwellen befinden. Eine Technologie, die genau das ermöglicht, hat nun ein Team vom Labor für Attosekundenphysik (LAP) am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) und der Ludwig-Maximilians-Universität München entwickelt. Mit ihrem neuartigen Detektor gelingt den Physikern nun die Charakterisierung von Lichtpulsen in atemberaubendem Tempo. 

Künstlerischer Blick auf die Analyse von Lichtwellen mit einem Phasendetektor aus dem Labor für Attosekundenphysik.

Weniger als ein Mikrometer beträgt der Abstand zwischen zwei Wellenbergen einer Lichtwelle. Eine solche Schwingung dauert gerade nicht mal drei Femtosekunden (eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde). Physiker des Labors für Attosekundenphysik der LMU und des MPQ sind nun in der Lage, die exakte Position der Lichtwellenberge von ultrakurzen Infrarot-Laserpulsen mit einem neu entwickelten Detektor exakt zu messen.

Diese Technologie ist wichtig für Untersuchungen des Mikrokosmos mit Hilfe von Laserpulsen. Denn mit ultrakurzen Laserpulsen ist man in der Lage, das Verhalten von Atomen und Molekülen zu erforschen. Mit Laserpulsen regt man Teilchen an, um anschließend deren Bewegungen in Echtzeit zu „filmen“. Voraussetzung dafür ist jedoch die genaue Kenntnis der Wellenform der Laserpulse.

Dazu hat das Team von Wissenschaftlern um Dr. Boris Bergues und Prof. Matthias Kling nun einen entscheidenden Beitrag geleistet. Mit ihrem neuartigen Detektor lässt sich die so genannte Phase, also die genaue Lage der Wellenberge, von jedem einzelnen Laserschuss bei einer Wiederholungsrate von 10.000 Schüssen pro Sekunde messen. Dazu erzeugen die Physiker zirkular polarisierte Laserpulse, bei denen sich die Richtung des Lichtfeldes wie die Zeiger einer Uhr dreht, und fokussieren diese rotierenden Pulse anschließend in der Umgebungsluft. Dadurch wird ein kurzer Strompuls erzeugt, dessen Richtung von der exakten Lage des Wellenberges abhängt. Über die anschließende Analyse der genauen Richtung des Strompulses rekonstruieren die Forscher den Verlauf der Lichtwelle. Im Gegensatz zu der herkömmlichen Technik, für die eine komplexe Vakuumapparatur benötigt wird, funktioniert die neue Methode einfach in der Umgebungsluft und benötigt nur sehr wenige Komponenten. „Die Einfachheit der Messapparatur verspricht, dass sich die Methode zu einem neuen Standard in der Lasertechnologie entwickelt“, erläutert Prof. Matthias Kling.

„Wir denken, dass sich die Technik bei noch viel höheren Wiederholungsraten und auch in anderen Wellenlängen-Bereichen anwenden lässt“, sagt Dr. Boris Bergues. „Unsere Technologie ist insbesondere vielversprechend für die Charakterisierung kurzer Lichtpulse mit hoher Wiederholraten, wie sie an neuen Laser-Infrastrukturen, wie z.B. die European Light Infrastructure (ELI), erzeugt werden“, fügt Prof. Matthias Kling hinzu.

Eingesetzt an den modernsten Ultrakurzpuls-Laserquellen, könnte die neue Licht-Analysetechnik zu technologischen Durchbrüchen, sowie zu neuen Erkenntnissen über das Verhalten von Teilchen im Mikrokosmos führen.

 

Thorsten Naeser

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