Detektor für die Bestimmung der Wellenform von Laserpulsen:

Perfekte Kontrolle von Lichtwellen

Moderne Kurzpuls-Laser erzeugen Lichtpulse von wenigen Femtosekunden Länge. Licht, das für die Strecke von der Erde bis zum Mond nur eine Sekunde benötigt, legt in einer Femtosekunde nur drei Zehntausendstel eines Millimeters zurück. Die Lichtwelle schlägt dabei gerade ein- oder zweimal kräftig nach oben oder nach unten aus. Vor und hinter diesen Ausschlägen gibt es nur kleine, schnell verebbende Schwingungsausläufer. Um solche Pulse gezielt in der Ultrakurzzeitphysik einsetzen zu können ist es wichtig zu wissen, wie die starken Schwingungen in den Pulsen genau beschaffen sind.

Ein Team des Labors für Attosekundenphysik am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ), an dem Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM), der Ludwig Maximilians-Universität München (LMU) sowie weitere Kooperationspartner beteiligt waren, hat nun einen einfachen Detektor aus Glas entwickelt, um die Form der Lichtwellen in einem Femtosekundenpuls exakt zu bestimmen.

In Experimenten der letzten Jahre stellten die Forscher fest, dass starke Laserpulse beim Auftreffen auf Glas messbare elektrische Ströme erzeugen. Im Fachjournal Nature Photonics veröffentlichten die Physiker nun aktuelle Ergebnisse die zeigen, dass die Fließrichtung dieser elektrischen Ströme von der Form der  eingestrahlten Lichtwellen abhängt, wenn ein Femtosekunden-Laserpuls verwendet wird.

Für die Eichung ihres neuen Glasdetektors koppelten die Forscher ihr System mit einem herkömmlichen Messgerät für die Bestimmung von Licht-Wellenformen. Dieses „klassische“ Messinstrument misst im Vakuum wie Elektronen aus Edelgasatomen herausgeschleudert werden, nachdem der Laserpuls diese getroffen hatte. Der Apparat funktioniert allerdings nur im Vakuum.

Durch den Abgleich der in dem Glas induzierten Elektronenströme mit den Daten des herkömmlichen Messgeräts, können die Forscher nun das Glas als neuen Detektor für die Lichtwellen-Formen einsetzen. Das neue Messgerät vereinfacht die Ultrakurzzeitphysik enorm, denn man muss es nicht im Vakuum betreiben. Zudem ist seine Messtechnik und Handhabung sehr viel unkomplizierter als bisherige Methoden zur Bestimmung von Wellenformen.

Kennen die Wissenschaftler die Wellenform der Femtosekunden-Laserpulse, können sie mit ihnen wiederum sehr stabil und reproduzierbar die noch tausend Mal kürzeren Attosekunden-Lichtblitze erzeugen. Die Beschaffenheit der Attosekunden-Lichtblitze hängt also ab von der Wellenform der Femtosekunden-Laserpulse. Mit Attosekunden-Lichtblitzen kann man Elektronen in Atomen oder Molekülen „fotografieren“. Um gute „Bilder“ zu erhalten braucht man unterschiedliche Lichtblitze, je nachdem welche Materie man untersucht.

Verlässliche Beobachtungen des Mikrokosmos mit Hilfe individuell beschaffener Attosekunden-Lichtblitze könnten künftig einfacher zu bewerkstelligen sein, da nun ihre Quelle, also die Wellenform der Laserpulse, mit dem neuen Detektor aus Glas einfacher zu kontrollieren ist.

Die Arbeiten wurden unterstützt mit Mitteln des European Research Councils (ERC), des Marie Curie-Programms der EU, des Exzellenzclusters Munich-Centre for Advanced Photonics (MAP), der Alexander von Humboldt Stiftung und des Schweizer Nationalfonds.

Originalpublikation:

Solid-state light-phase detector
Tim Paasch-Colberg, Agustin Schiffrin, Nicholas Karpowicz, Stanislav Kruchinin, Özge Saglam, Sabine Keiber, Olga Razskazovskaya, Sascha Mühlbrandt, Ali Alnaser, Matthias Kübel, Vadym Apalkov, Daniel Gerster, Joachim Reichert, Tibor Wittmann, Johannes V. Barth, Mark I. Stockman, Ralph Ernstorfer, Vladislav S. Yakovlev, Reinhard Kienberger und Ferenc Krausz;
Nature photonics 12. Januar 2014, Doi: 10.1038/nphoton.2013.348