Laserfysik:Ved pulsen af ​​en lysbølge

Fysikere i Laboratoriet for Attosekundfysik ved Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) i München og ved Max Planck Instituttet for Kvanteoptik (MPQ) har udviklet en ny type detektor, der gør det muligt at bestemme oscillationsprofilen af ​​lysbølger præcist.

Lys er svært at få fat på. Lysbølger udbreder sig med en hastighed på næsten 300, 000 km i sekundet, og bølgefronten svinger flere hundrede billioner gange i det samme interval. I tilfælde af synligt lys, den fysiske afstand mellem på hinanden følgende spidser af lysbølgen er mindre end 1 mikrometer, og toppe er adskilt i tid med mindre end 3 milliontedele af en milliardtedel af et sekund ( <3 femtosekunder). At arbejde med lys, man skal kontrollere den - og det kræver præcis viden om dens adfærd. Det kan endda være nødvendigt at kende den nøjagtige position af lysbølgens toppe eller dale på et givet øjeblik. Forskere baseret på Laboratory for Attosecond Physics (LAP) ved LMU München og Max Planck Institute for Quantum Optics er nu i stand til at måle den nøjagtige placering af sådanne toppe inden for enkelte ultrakorte pulser af infrarødt lys ved hjælp af en nyudviklet detektor.

Sådanne pulser, som kun omfatter et par svingninger af bølgen, kan bruges til at undersøge adfærden af ​​molekyler og deres atomer, og den nye detektor er et meget værdifuldt værktøj i denne sammenhæng. Ultrakorte laserimpulser giver forskere mulighed for at studere dynamiske processer på molekylært og endda subatomært niveau. Ved at bruge tog af disse impulser, det er muligt først at excitere målpartiklerne og derefter at filme deres reaktioner i realtid. I intense lysfelter, imidlertid, det er afgørende at kende den præcise bølgeform af pulserne. Da toppen af ​​det oscillerende (bære-) lysfelt og det for pulsindhylningen kan skifte i forhold til hinanden mellem forskellige laserimpulser, det er vigtigt at kende den præcise bølgeform for hver puls.

Teamet på LAP, som blev ledet af Dr. Boris Bergues og professor Matthias Kling, leder af Ultrafast Imaging and Nanophotonics Group, har nu fået et afgørende gennembrud i karakteriseringen af ​​lysbølger. Deres nye detektor giver dem mulighed for at bestemme 'fasen, "dvs. de præcise positioner af toppene af de få oscillationscyklusser inden for hver eneste puls, ved gentagelsesfrekvenser på 10, 000 pulser i sekundet. For at gøre det, gruppen genererede cirkulært polariserede laserimpulser, hvor orienteringen af ​​det udbredende optiske felt roterer som en urviser, og fokuserede derefter den roterende puls i den omgivende luft.

Interaktionen mellem pulsen og molekylerne i luften resulterer i et kort udbrud af elektrisk strøm, hvis retning afhænger af positionen af ​​lysbølgens top. Ved at analysere den nøjagtige retning af den aktuelle puls, forskerne var i stand til at hente fasen af ​​'bærer-konvolutforskydningen', "og rekonstruerer dermed formen for lysbølgen. I modsætning til den metode, der konventionelt anvendes til fasebestemmelse, som kræver brug af et komplekst vakuumapparat, den nye teknik fungerer i omgivende luft, og målingerne kræver meget få ekstra komponenter. "Simpelheden af ​​opsætningen vil sandsynligvis sikre, at den bliver et standardværktøj inden for laserteknologi, " forklarer Matthias Kling.

"Vi mener, at denne teknik også kan anvendes til lasere med meget højere gentagelseshastigheder og i forskellige spektrale områder, " siger Boris Bergues. "Vores metode er af særlig interesse i forbindelse med karakterisering af ekstremt korte laserimpulser med høje gentagelseshastigheder, som dem, der genereres ved Europas Extreme Light Infrastructure (ELI), " tilføjer prof. Matthias Kling. Når det anvendes på de nyeste kilder til ultrakorte laserimpulser, denne nye metode til bølgeformsanalyse kunne bane vejen for teknologiske gennembrud, såvel som at tillade ny indsigt i elementære partiklers adfærd 'i hurtigbanen'.