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21.03.2018 | Lasertechnik + Photonik | Nachricht | Onlineartikel

Eigenschaften ultrakurzer Lichtpulse ermitteln

Autor:
Nadine Winkelmann

Kurze, rotierende Lichtpulse verraten viel über die innere Struktur von Materialien. Ein internationales Team von Physikern vom Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) hat ein neues Verfahren entwickelt, um solche extrem kurzen Lichtpulse genau zu charakterisieren.

Mit extrem kurzen Pulsen zirkular polarisierter Lichtwellen lassen sich unterschiedliche Materialien untersuchen. Solche Pulse können zwar mit heutigen Methoden hergestellt werden, doch stoßen die Methoden an die Grenze des technisch Machbaren, weshalb die produzierten Lichtpulse nicht immer die erwünschten Eigenschaften zeigen. Da die zu untersuchenden Prozesse außerordentlich kurz sind, müssen auch die Lichtpulse dementsprechend kurz sein – im Bereich von rund 100 Attosekunden (milliardstel milliardstel Sekunden). In diesem winzigen Zeitraum vollführt eine Lichtwelle nur wenige Drehungen. Bei der Erzeugung der ultrakurzen Pulse kann es passieren, dass die Lichtwellen nicht richtig rotieren.

Elektronen mit einarmigen Sprinkler vergleichbar

Physiker vom MBI haben ein Verfahren entwickelt, bei dem ein Atom oder ein Körper mit einem extrem kurzen, hochenergetischen und zirkular polarisierten Lichtpuls bestrahlt wird. Dieser Puls wird absorbiert und schlägt ein Elektron aus dem Körper heraus, das Informationen über die Lichtwelle in sich trägt und Aufschluss über die Eigenschaften des untersuchten Körpers geben kann. Da die Lichtpulse zirkular polarisiert sind, vollführen auch die herausgeschlagenen Elektronen Drehungen. "Man kann die herausgeschlagenen Elektronen mit einem einarmigen Sprinkler vergleichen, der sich entweder dreht wie gewünscht oder immer wieder ins Stottern kommt und seine Drehrichtung ändert", sagt Misha Ivanov, Leiter der Theorie-Abteilung am Max-Born-Institut. Läuft der Sprinkler eine Weile, wird der Rasen um ihn herum kreisförmig nass – unabhängig davon, ob er gleichmäßig rotiert oder nicht. „Weht aber zusätzlich ein böiger Wind, können wir unterscheiden, ob sich der Sprinkler gleichmäßig oder unregelmäßig dreht“, so Ivanov. Ein völlig irregulär rotierender Sprinkler würde eine in die Windrichtung ausgerichtete Ellipse auf den Rasen erzeugen, während ein regulär rotierender Sprinkler eine schiefe Ellipse zeigen würde.

Als "Wind" dient bei dem Verfahren ein Infrarot-Laserpuls, dessen Schwingungen genau mit den ultrakurzen Pulsen synchronisiert sind. Die Infrarot-Strahlung beschleunigt das Elektron entweder nach links oder rechts – genau wie der Wind die Wassertropfen. "Mit einer Messung an den Elektronen können wir nachweisen, ob der Lichtpuls die gewünschte gleichmäßige Rotation besessen hat oder nicht", sagt Álvaro Jiménez-Galán, Wissenschaftler am Max-Born-Institut. "Mit unserer Methode ist es möglich, die Eigenschaften der ultrakurzen Lichtpulse mit bislang nicht erreichter Präzision zu ermitteln." Das Verfahren sei insbesondere zur Untersuchung an neuartigen Materialien wie Supraleiter oder topologische Materialien von Bedeutung und soll in naher Zukunft von der Theorie in die Praxis umgesetzt werden.

Die Forschungsergebnisse sind in "Nature Communications" erschienen.

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