Tot nu, complexe experimentele apparatuur was nodig om de vorm van een lichtpuls te meten. Een team van TU Wien (Wenen), MPI Garching en LMU München hebben dit nu veel gemakkelijker gemaakt.

Vandaag, moderne lasers kunnen extreem korte lichtpulsen genereren, die voor een breed scala aan toepassingen kan worden gebruikt, van onderzoeksmateriaal tot medische diagnostiek. Voor dit doeleinde, het is belangrijk om de vorm van de laserlichtgolf met hoge nauwkeurigheid te meten. Tot nu, dit vereist een grote, complexe proefopstelling. Nu kan dat met een piepklein kristalletje met een diameter van nog geen millimeter. De nieuwe methode is ontwikkeld door de MPI voor Quantum Optics in Garching, de LMU München en de TU Wien (Wenen). Het voorschot zal nu helpen om belangrijke details over de interactie van licht en materie op te helderen.

Kijken naar licht met elektronen

Extreem korte lichtpulsen met een duur in de orde van femtoseconden (10-15 seconden) werden onderzocht. "Om een ​​beeld te krijgen van zulke lichtgolven, ze moeten worden gemaakt om te interageren met elektronen, " zegt prof. Joachim Burgdörfer van het Instituut voor Theoretische Fysica van de TU Wien. "De reactie van de elektronen op het elektrische veld van de laser geeft ons zeer nauwkeurige informatie over de vorm van de lichtpuls."

Eerder, de gebruikelijke manier om een ​​infrarode laserpuls te meten was het toevoegen van een veel kortere laserpuls met een golflengte in het röntgenbereik. Beide pulsen worden door een gas gestuurd. De röntgenpuls ioniseert individuele atomen, elektronen komen vrij, die vervolgens worden versneld door het elektrische veld van de infrarode laserpuls. De beweging van de elektronen wordt geregistreerd, en als het experiment vele malen wordt uitgevoerd met verschillende tijdsverschuivingen tussen de twee pulsen, de vorm van de infrarood laserpuls kan uiteindelijk worden gereconstrueerd. "De experimentele inspanning die nodig is voor deze methode is erg hoog, " zegt prof. Christoph Lemell (TU Wenen). "Er is een ingewikkelde experimentele opstelling nodig, met vacuümsystemen, veel optische elementen en detectoren."

Meting in kleine siliciumoxidekristallen

Om dergelijke complicaties te omzeilen, het idee ontstond om lichtpulsen niet in een gas maar in een vaste stof te meten:"In een gas moet je eerst atomen ioniseren om vrije elektronen te krijgen. In een vaste stof is het voldoende om de elektronen voldoende energie te geven zodat ze erdoorheen kunnen de vaste, aangedreven door het laserveld, ", zegt Isabella Floss (TU Wenen). Dit genereert een elektrische stroom die direct kan worden gemeten.

Hiervoor worden minuscule kristallen van siliciumoxide met een diameter van enkele honderden micrometers gebruikt. Ze worden geraakt door twee verschillende laserpulsen:De te onderzoeken puls kan elke golflengte hebben, variërend van ultraviolet licht en zichtbare kleuren tot langgolvig infrarood. Terwijl deze laserpuls het kristal binnendringt, een andere infrarood puls wordt afgevuurd op het doel. "Deze tweede puls is zo sterk dat niet-lineaire effecten in het materiaal de energietoestand van de elektronen kunnen veranderen, zodat ze mobiel worden. Dit gebeurt op een heel specifiek tijdstip, die zeer nauwkeurig kan worden afgesteld en bestuurd, " legt Joachim Burgdörfer uit.

Zodra de elektronen door het kristal kunnen bewegen, ze worden versneld door het elektrische veld van de eerste straal. Dit produceert een elektrische stroom die direct bij het kristal wordt gemeten. Dit signaal bevat nauwkeurige informatie over de vorm van de lichtpuls.

Veel mogelijke toepassingen

Aan de TU Wenen, het effect werd theoretisch bestudeerd en geanalyseerd in computersimulaties. Het experiment werd uitgevoerd bij het Max Planck Institute for Quantum Optics in Garching. "Dankzij de nauwe samenwerking tussen theorie en experiment, we hebben kunnen laten zien dat de nieuwe methode heel goed werkt, over een groot frequentiebereik, van ultraviolet tot infrarood, " zegt Christoph Lemell. "De golfvorm van lichtpulsen kan nu veel gemakkelijker worden gemeten dan voorheen, met behulp van zo'n veel eenvoudigere en compactere opstelling."

De nieuwe methode opent vele interessante toepassingen:het moet mogelijk zijn om nieuwe materialen nauwkeurig te karakteriseren, om fundamentele fysieke vragen over de interactie van licht en materie te beantwoorden, en zelfs om complexe moleculen te analyseren, bijvoorbeeld om ziekten betrouwbaar en snel op te sporen door kleine bloedmonsters te onderzoeken.