Natuurkundigen van de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) en de Friedrich Schiller University Jena (FSU) hebben een enorme sprong voorwaarts gemaakt in lichtonderzoek. Ze zijn erin geslaagd om het gedrag van extreem korte laserpulsen tijdens het scherpstellen vast te leggen door middel van een zeer hoge ruimtelijke en temporele resolutie. De resultaten zijn van fundamenteel belang voor het begrijpen van de interacties tussen licht en materie en zullen het mogelijk maken om elektronenbewegingen en chemische reacties te beheersen in een mate die voorheen niet haalbaar was. Deze inzichten in de fundamentele fysica komen vooral goed van pas bij verder onderzoek naar nieuwe stralingsbronnen en op het gebied van lichtgolfelektronica. De onderzoekers publiceerden onlangs hun bevindingen in het toonaangevende vaktijdschrift Natuurfysica .

Ultrakorte lichtpulsen met zo'n breed optisch spectrumbereik dat de bundels wit lijken, worden tegenwoordig veel gebruikt. Ze worden onder meer gebruikt om het netvlies van het oog te onderzoeken, terwijl ze in de natuurkunde worden gebruikt om processen op atomair niveau te controleren en in slow motion te analyseren. In bijna al deze toepassingen de witte laserpulsen moeten worden gefocust. Omdat het de specifieke vorm van de lichtgolf is die bepaalt hoe elektronen, bijvoorbeeld, zal erin bewegen, het is essentieel om te weten hoe de gefocusseerde laserstraal er in detail uitziet.

Om beter te begrijpen waarom, denk aan een schip in stormachtige zeeën. De roerganger moet niet alleen weten hoe hoog en hoe lang de golven zijn, maar moet ook opkomende golven in de gaten houden om te weten wanneer ze het schip zullen raken om een ​​veilig pad te vinden naar de top van de golf op aan de ene kant en aan de andere kant naar beneden. Op dezelfde manier, het is voor onderzoekers van belang te weten hoe en waar het maximum van een lichtgolf in een experiment of toepassing elektronen zal treffen om ze gericht te kunnen beïnvloeden. De veranderingen in en voortplanting van lichtgolven in een elektrisch veld vinden plaats op een tijdschaal van enkele honderden attoseconden - met andere woorden, binnen een miljardste van een miljardste van een seconde. Tot voor kort, het was niet mogelijk om de exacte verdeling van de golfdalen en pieken in het brandpunt van een laserstraal op deze tijdschaal te meten.

De onderzoekers in Erlangen en Jena hebben dit nu bereikt door laserpulsen te focussen op een nanometerscherpe metalen punt, waardoor de punt elektronen uitzendt. Deze elektronen fungeren als een soort sensor waarmee de onderzoekers de exacte vorm van de lichtgolf kunnen interpreteren.

Licht reizen kijken

Bijna 130 jaar geleden, de Franse natuurkundige Louis Georges Gouy (1854-1926) observeerde en beschreef een faseverschuiving die optrad tijdens de focussering van monochromatisch licht toen interferentie werd geïntroduceerd. Dit effect werd de 'Gouy-fase' genoemd naar zijn ontdekker en lange tijd werd aangenomen dat het effect hetzelfde zou zijn in het geval van witte laserspectra, die uit vele kleuren licht bestaan. De resultaten die zijn verkregen in het gezamenlijke project hebben bijgedragen aan ons begrip van het effect, zodat zelfs als het gaat om korte lichtpulsen - om bij de metafoor te blijven - in de toekomst geen kapitein verrast zal worden door onverwachte golven.