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Detektor für Lichtwellen Wie man den Puls eines Lichtstrahls misst

| Redakteur: Christian Lüttmann

Licht schwingt in Wellen – und das extrem schnell. Nun haben Physiker in München eine Art Pulsuhr für Lichtwellen entwickelt, die kein Problem mit derart hohen Frequenzen hat. Damit lässt sich nicht nur ein einzelner Wellenberg detektieren, sondern sogar die exakte Position desselben bestimmen.

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Analyse von Lichtwellen mit dem neuen Phasendetektor.
Analyse von Lichtwellen mit dem neuen Phasendetektor.
(Bild: Philipp Rosenberger)

München – Eine Lampe kann man einschalten – und sofort ist Licht da. Was das menschliche Auge nicht sieht: Auch Licht bewegt sich, nur eben sehr schnell. In einer Sekunde breitet es sich fast 300.000 Kilometer aus, seine Wellen schwingen dabei einige Millionen Milliarden Mal – also mit einer Schwingungsdauer von drei Femtosekunden. Zwischen zwei Wellenbergen einer Lichtwelle ist dabei nicht viel Platz: kaum einen Mikrometer sind sie voneinander entfernt.

Will man mit Licht nun wissenschaftlich 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 Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) haben nun einen neuen Detektor entwickelt, der die exakte Position der Lichtwellenberge von ultrakurzen Infrarot-Laserpulsen exakt messen kann.

Laserpulse mit drehendem Licht

Diese Technologie ist wichtig für Untersuchungen des Mikrokosmos mithilfe 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.

Mit dem neuartigen Detektor der LMU-Forscher lässt sich die so genannte Phase, also die genaue Lage der Wellenberge, von jedem einzelnen Laserschuss messen. Dazu erzeugen die Physiker zunächst zirkular polarisierte Laserpulse, bei denen sich die Richtung des Lichtfeldes wie die Zeiger einer Uhr dreht. Mithilfe dieser rotierenden Zeiger wird ein kurzer Strompuls erzeugt, der je nach Lage des Lichtwellenberges in eine andere Richtung abgegeben wird. Indem die Forscher die Richtung dieses Pulses analysieren, lässt sich der Verlauf der Lichtquelle rekonstruieren.

Einfache Messung in Umgebungsluft

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“, sagt Prof. Dr. Matthias Kling, Leiter der Forschungsgruppe „Ultraschnelle Bildgebung und Nanophotonik“ an der LMU.

„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“, ergänzt Kling. Wiederholungsraten von 10.000 Schüssen pro Sekunde sind mit dem aktuellen Detektor bereits möglich. 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.

Originalpublikation: M. Kubullek, Z. Wang, K. von der Brelje, D. Zimin, P. Rosenberger, J. Schötz, M. Neuhaus, S. Sederberg, A. Staudte, N. Karpowicz, M. F. Kling, and B. Bergues: Single-shot carrier–envelope-phase measurement in ambient air, Optica Vol. 7, Issue 1, pp. 35-39 (2020); DOI: 10.1364/OPTICA.7.000035

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