Kürzeste Lichtpulse erzeugt

News: Kürzeste Lichtpulse erzeugt

Wer ein ganz kurzes Ereignis messen will, braucht ein System, das mindestens genauso schnell ist. Lichtpulse aus Lasern eignen sich sehr gut dafür, und darum versuchen Wissenschaftler, die Dauer der Signale immer weiter zu verkürzen. Die kürzesten Lichtblitze haben nun deutsche und amerikanische Forscher vorgestellt: Sie sind nur noch fünf Femtosekunden lang und umfassen weniger als zwei optische Schwingungen.

Um ultraschnelle Vorgänge vermessen zu können, benötigt man Abtastsignale, deren zeitliche Dauer kleiner als oder zumindest gleich groß wie die zu messenden Zeitkonstanten sind. Die momentan kürzesten technisch erzeugten und genutzten Ereignisse überhaupt sind Lichtpulse aus Lasern, die mit hohen Wiederholraten im 100-Megahertz-Bereich und Dauern im Piko- und Femtosekundenbereich emittiert werden. In den vergangenen drei Jahrzehnten haben sich die Techniken kontinuierlich zu kürzeren Pulsbreiten hin weiterentwickelt und auf diesem Weg immer neue und tiefere Einblicke in ultraschnelle Vorgänge in Physik, Chemie, Biologie und Medizin eröffnet. Dabei spielt nicht nur die zeitliche Kürze, sondern auch die damit verbundene hohe optische Bandbreite für viele hochauflösende Untersuchungsmethoden eine entscheidende Rolle.

Franz Kärtner und seinen Mitarbeitern Uwe Morgner und Richard Ell vom Institut für Hochfrequenztechnik und Quantenelektronik an der Universität Karlsruhe (IHQ) ist es nun gelungen, die derzeit kürzesten Lichtpulse direkt aus einem Laser zu erzeugen. Neue Erkenntnisse über die Pulsformung im Laser und extrem breitbandige Laserspiegel, die durch eine langjährige Zusammenarbeit mit dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickelt wurden, machten diesen Fortschritt möglich.

Die Pulse umfassen weniger als zwei optische Schwingungen und sind nur noch fünf Femtosekunden lang. Eine Femtosekunde entspricht der unvorstellbar kurzen Zeitdauer von einem Millionstel einer Milliardstel Sekunde.

Ein Ende der ständig nach unten korrigierten Pulsrekorde ist noch lange nicht absehbar. Trotzdem markiert der Laser am IHQ einen bemerkenswerten Schritt, kommt man doch in einen Bereich, in dem nicht allein der puls als mikrometer-dünnes Scheibchen lokalisierter Photonenenergie eine Rolle spielt (eine Femtosekunde entspricht 0,3 Mikrometern). Es tritt bei diesen Pulsbreiten auch das korrespondierende elektromagnetische Feld im Wellenbild zutage, da eben bei optischen Pulsen im Bereich von fünf Femtosekunden die Feldamplitude während der Dauer des Pulses nur noch weniger als zweimal durchschwingen kann.

Zur Bestimmung der tatsächlichen Pulsbreite wurde eine so genannte interferometrische Autokorrelation (IAC) aufgenommen. Die IAC ist ein relativ einfaches Mittel, um die Pulsbreiten ultrakurzer Pulse abzuschätzen: Man überlagert den Puls mit einer zeitversetzten identischen Kopie in einem Frequenzverdopplerkristall, der das Licht um 800 Nanometer in den blauen Bereich um 400 Nanometer transformiert. Die IAC erhält man, indem man das blaue Interferenzsignal gegen die Zeitverschiebung der zwei Pulskopien aufträgt. Daraus kann die volle Puls-Halbwertsbreite von fünf Femtosekunden abgeleitet werden. Diese Pulse sind weltweit die kürzesten, die jemals direkt von einem Laseroszillator erzeugt wurden.

Mit einem Laser dieser Art konnte von den Kooperationspartnern am MIT in Cambridge eine bis dahin unerreichte Verbesserung im Bereich der ophtalmologischen Optischen Kohärenz-Tomographie (OCT) erreicht werden. OCT ist ein Bildgebungsverfahren, dessen Auflösung von der Kohärenzlänge der verwendeten Lichtquelle abhängt. Da kurze Pulse per se einer kurzen Kohärenzlänge entsprechen, ist dieser Titan-Saphir-Laser die Lichtquelle, die weltweit die höchste Auflösung in OCT verspricht.

In der Augenheilkunde sind optische Diagnoseverfahren seit langem etabliert. OCT wird vielerorts bereits im klinischen Alltag eingesetzt, und Geräte mit 10 bis 15 Mikrometer Tiefenauflösung sind kommerziell erhältlich. Durch den Einsatz der ultrahochauflösenden Technik mit dem Titan-Saphir Laser als Lichtquelle konnte im Labor die Tiefenauflösung auf unter drei Mikrometer reduziert werden. Dadurch konnten Bilder vom menschlichen Auge aufgenommen werden, die unter anderem zur frühzeitigen Diagnose des grünen Stars (Glaukom) verwendet werden können. Die Auflösung, die hier an Versuchspersonen erzielt wurde, kommt der Auflösung herkömmlicher mikroskopischer Histopathologie nach Gewebeentnahme sehr nahe.

Selbstverständlich ist dieses System momentan für den klinischen Alltag wegen seiner Komplexität noch ungeeignet. Es muss noch viel Arbeit in die Entwicklung kompakter breitbandiger Lichtquellen investiert werden, bis die hier vorgestellte Bildqualität tatsächlich breit verfügbar wird. Trotzdem sind diese Arbeiten wegweisend für das, was in ein paar Jahren Standard-Diagnostik sein könnte.

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