Am Puls einer Lichtwelle

Analyse von Lichtwellen mit dem neuen Phasendetektor. Grafik: Philipp Rosenberger

Physiker des Labors für Attosekundenphysik an der LMU und am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und haben einen neuartigen Detektor entwickelt, mit dem sich der Verlauf von Lichtwellen exakt bestimmen lässt.

Licht ist flüchtig. Es breitet sich mit fast 300.000 Kilometer pro Sekunde aus, seine Wellen schwingen einige Millionen Milliarden Mal pro Sekunde. Weniger als ein Mikrometer beträgt der Abstand zwischen zwei Wellenbergen einer Lichtwelle. Eine solche Schwingung dauert nicht mal drei Femtosekunden (eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde). Will man nun mit Licht exakt arbeiten und es steuern, muss man es sehr genau kennen. So genau, dass man weiß, wo und zu welcher Zeit sich einzelne Wellenberge und Täler von Lichtwellen befinden. Physiker des Labors für Attosekundenphysik der LMU und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) haben nun einen neuartigen Detektor entwickelt, der in der Lage ist, die exakte Position der Lichtwellenberge von ultrakurzen Infrarot-Laserpulsen exakt zu messen.

Diese Technologie ist wichtig für Untersuchungen des Mikrokosmos mit Hilfe von ultrakurzen Laserpulsen. Denn damit lässt sich das Verhalten von Atomen und Molekülen 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 die Physiker Dr. Boris Bergues und Prof. Dr. Matthias Kling, Leiter der Forschungsgruppe „Ultraschnelle Bildgebung und Nanophotonik“ an der LMU, 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 zunächst 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 zur herkömmlichen Technik, für die eine komplexe Vakuumapparatur benötigt wird, funktioniert die neue Methode einfach in der Umgebungsluft und benötigt nur wenige Komponenten. „Die Einfachheit der Messapparatur verspricht, dass sich die Methode zu einem neuen Standard in der Lasertechnologie entwickelt“, erläutert Matthias Kling.

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