Natuurkundigen van het Laboratorium voor Attoseconde Fysica aan de Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) in München en aan het Max Planck Instituut voor Quantum Optica (MPQ) hebben een nieuw type detector ontwikkeld waarmee het oscillatieprofiel van lichtgolven nauwkeurig kan worden bepaald.

Licht is moeilijk vast te houden. Lichtgolven planten zich voort met een snelheid van bijna 300, 000 km per seconde, en het golffront oscilleert enkele honderden biljoenen keren in datzelfde interval. In het geval van zichtbaar licht, de fysieke afstand tussen opeenvolgende pieken van de lichtgolf is minder dan 1 micrometer, en pieken zijn in de tijd van elkaar gescheiden door minder dan 3 miljoenste van een miljardste van een seconde ( <3 femtoseconden). Werken met licht, men moet het beheersen - en dat vereist nauwkeurige kennis van zijn gedrag. Het kan zelfs nodig zijn om de exacte positie van de toppen of dalen van de lichtgolf op een bepaald moment te kennen. Onderzoekers van het Laboratory for Attosecond Physics (LAP) van de LMU München en het Max Planck Institute for Quantum Optics zijn nu in staat om de exacte locatie van dergelijke pieken binnen enkele ultrakorte pulsen van infrarood licht te meten met behulp van een nieuw ontwikkelde detector.

zulke pulsen, die slechts enkele oscillaties van de golf omvatten, kan worden gebruikt om het gedrag van moleculen en hun samenstellende atomen te onderzoeken, en de nieuwe detector is in deze context een zeer waardevol hulpmiddel. Met ultrakorte laserpulsen kunnen wetenschappers dynamische processen op moleculair en zelfs subatomair niveau bestuderen. Met behulp van treinen van deze pulsen, het is mogelijk om eerst de doeldeeltjes te exciteren en vervolgens hun reacties in realtime te filmen. In intense lichtvelden, echter, het is cruciaal om de precieze golfvorm van de pulsen te kennen. Aangezien de piek van het oscillerende (draag)lichtveld en die van de pulsomhullende ten opzichte van elkaar kunnen verschuiven tussen verschillende laserpulsen, het is belangrijk om de precieze golfvorm van elke puls te kennen.

Het team van LAP, die werd geleid door Dr. Boris Bergues en Professor Matthias Kling, hoofd van de Ultrafast Imaging and Nanophotonics Group, heeft nu een beslissende doorbraak bereikt in de karakterisering van lichtgolven. Met hun nieuwe detector kunnen ze de 'fase, " d.w.z. de precieze posities van de pieken van de weinige oscillatiecycli binnen elke puls, bij herhalingsfrequenties van 10, 000 pulsen per seconde. Om dit te doen, de groep genereerde circulair gepolariseerde laserpulsen waarin de oriëntatie van het zich voortplantende optische veld roteert als een wijzer, en focuste vervolgens de roterende puls in de omgevingslucht.

De interactie tussen de puls en moleculen in de lucht resulteert in een korte uitbarsting van elektrische stroom, waarvan de richting afhangt van de positie van de piek van de lichtgolf. Door de exacte richting van de huidige puls te analyseren, konden de onderzoekers de fase van de 'carrier-envelope offset' achterhalen, " en zo de vorm van de lichtgolf te reconstrueren. In tegenstelling tot de methode die conventioneel wordt gebruikt voor fasebepaling, die het gebruik van een complex vacuümapparaat vereist, de nieuwe techniek werkt in omgevingslucht en de metingen vereisen zeer weinig extra componenten. "De eenvoud van de opstelling zal er waarschijnlijk voor zorgen dat het een standaardinstrument in lasertechnologie wordt, " legt Matthias Kling uit.

"We zijn van mening dat deze techniek ook kan worden toegepast op lasers met veel hogere herhalingssnelheden en in verschillende spectrale regio's, ", zegt Boris Bergues. "Onze methodologie is van bijzonder belang in de context van de karakterisering van extreem korte laserpulsen met hoge herhalingssnelheden, zoals die gegenereerd bij Europe's Extreme Light Infrastructure (ELI), " voegt prof. Matthias Kling toe. Wanneer toegepast op de nieuwste bronnen van ultrakorte laserpulsen, deze nieuwe methode van golfvormanalyse zou de weg kunnen effenen voor technologische doorbraken, evenals nieuwe inzichten in het gedrag van elementaire deeltjes 'in the fast lane'.