Sådan tager du et billede af en lyspuls

Indtil nu, komplekst eksperimentelt udstyr var påkrævet for at måle formen af ​​en lyspuls. Et hold fra TU Wien (Wien), MPI Garching og LMU München har nu gjort dette meget lettere.

I dag, moderne lasere kan generere ekstremt korte lysimpulser, som kan bruges til en lang række anvendelser fra undersøgelsesmaterialer til medicinsk diagnostik. Til dette formål, det er vigtigt at måle laserlysbølgens form med høj nøjagtighed. Indtil nu, dette har krævet en stor, kompleks eksperimentel opsætning. Nu kan dette gøres med en lille krystal med en diameter på mindre end en millimeter. Den nye metode er udviklet af MPI for Quantum Optics in Garching, LMU München og TU Wien (Wien). Fremskridtet vil nu hjælpe med at tydeliggøre vigtige detaljer om vekselvirkningen mellem lys og stof.

Ser på lys med elektroner

Ekstremt korte lysimpulser med en varighed i størrelsesordenen femtosekunder (10-15 sekunder) blev undersøgt. "For at skabe et billede af sådanne lysbølger, de skal få dem til at interagere med elektroner, "siger prof. Joachim Burgdörfer fra Institut for Teoretisk Fysik ved TU Wien." Elektronernes reaktion på laserens elektriske felt giver os meget præcise oplysninger om lyspulsens form. "

Tidligere har den almindelige måde at måle en infrarød laserpuls var at tilføje en meget kortere laserpuls med en bølgelængde i røntgenområdet. Begge pulser sendes gennem en gas. Røntgenpulsen ioniserer individuelle atomer, elektroner frigives, som derefter accelereres af det elektriske felt af den infrarøde laserpuls. Elektronernes bevægelse registreres, og hvis eksperimentet udføres mange gange med forskellige tidsforskydninger mellem de to pulser, formen af ​​den infrarøde laserpuls kan i sidste ende rekonstrueres. "Den eksperimentelle indsats, der kræves for denne metode, er meget høj, "siger prof. Christoph Lemell (TU Wien)." En kompliceret eksperimentel opsætning er nødvendig, med vakuumsystemer, mange optiske elementer og detektorer. "

Måling i små siliciumoxidkrystaller

For at omgå sådanne komplikationer, ideen blev født til at måle lysimpulser ikke i en gas, men i et fast stof:"I en gas skal du ionisere atomer først for at få frie elektroner. I et fast stof er det tilstrækkeligt til at give elektronerne nok energi, så de kan bevæge sig igennem det faste, drevet af laserfeltet, "siger Isabella Floss (TU Wien). Dette genererer en elektrisk strøm, som kan måles direkte.

Små krystaller af siliciumoxid med en diameter på et par hundrede mikrometer bruges til dette formål. De bliver ramt af to forskellige laserpulser:Den puls, der skal undersøges, kan have enhver bølgelængde, der spænder fra ultraviolet lys og synlige farver til langbølget infrarød. Mens denne laserpuls trænger ind i krystallen, en anden infrarød puls affyres mod målet. "Denne anden puls er så stærk, at ikke-lineære effekter i materialet kan ændre elektronernes energitilstand, så de bliver mobile. Dette sker på et meget specifikt tidspunkt, som kan indstilles og kontrolleres meget præcist, "forklarer Joachim Burgdörfer.

Så snart elektronerne kan bevæge sig gennem krystallen, de accelereres af det første stråles elektriske felt. Dette producerer en elektrisk strøm, der måles direkte ved krystallen. Dette signal indeholder præcise oplysninger om lyspulsens form.

Mange mulige applikationer

På TU Wien, effekten blev undersøgt teoretisk og analyseret i computersimuleringer. Eksperimentet blev udført på Max Planck Institute for Quantum Optics in Garching. "Takket være det tætte samarbejde mellem teori og eksperiment, vi har kunnet vise, at den nye metode fungerer meget godt, over et stort frekvensområde, fra ultraviolet til infrarød, "siger Christoph Lemell." Lyspulsers bølgeform kan nu måles meget lettere end før, ved hjælp af sådan en meget enklere og mere kompakt opsætning. "

Den nye metode åbner op for mange interessante applikationer:Det skal være muligt præcist at karakterisere nye materialer, at besvare grundlæggende fysiske spørgsmål om samspillet mellem lys og stof, og endda for at analysere komplekse molekyler - f.eks. til pålideligt og hurtigt at opdage sygdomme ved at undersøge bittesmå blodprøver.