Revolutionäres Werkzeug ermöglicht präzise Femtosekunden-Lasermessungen

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Der Laboraufbau für ein neues Werkzeug, das Femtosekundenlaser messen kann. (Bild:Universität Lund)

Ultrakurze Laserpulse – die kürzer als ein Millionstel einer Millionstelsekunde sind – haben Grundlagenwissenschaft, Technik und Medizin verändert. Dennoch sind sie aufgrund ihrer extrem kurzen Dauer schwer zu fassen und schwer zu messen. Vor etwa zehn Jahren stellten Forscher der Universitäten Lund und Porto ein Werkzeug zur Messung der Pulsdauer ultraschneller Laser vor. Dem gleichen Team ist nun ein Durchbruch gelungen, der die Messung einzelner Laserimpulse über einen größeren Parameterbereich in einem kompakteren Aufbau ermöglicht.

„Die aktuellen Standardmessungen für Femtosekundenlaser, die typischerweise in der Industrie und Medizin eingesetzt werden, liefern nur eine Schätzung der Pulsdauer. Unser Ansatz liefert eine vollständigere Messung und kann dazu beitragen, das gesamte Potenzial der ultraschnellen Lasertechnologie freizusetzen“, sagte Daniel Díaz Rivas, Doktorand in Atomphysik an der Universität Lund.

Das Konzept der Femtosekundenpulse ist für die meisten von uns schwer zu verstehen. Dennoch werden sie für eine Vielzahl alltäglicher Anwendungen eingesetzt, von der Augenchirurgie bis zur Mikrobearbeitung in der Industrie. Mit den extrem kurzen Laserpulsen können sogar schnellste Prozesse in der Natur untersucht werden, etwa die Energieübertragung bei der Photosynthese und die Elektronendynamik.

Auch wenn sie immer häufiger eingesetzt werden, bleibt die genaue Messung der Form und Dauer der Impulse eine schwierige Aufgabe. Elektronische Instrumente sind zu langsam, weshalb Forscher auf optische Methoden zurückgegriffen haben.

Aktuelle Methoden sind begrenzt

Allerdings erfordern diese optischen Techniken typischerweise mehrere Messungen in einer Scansequenz. Damit sind sie für die Erfassung einzelner Impulse in Echtzeit ungeeignet.

Für die Charakterisierung sehr kurzer Impulse, die üblicherweise in der Grundlagenforschung verwendet werden, sind Single-Shot-Versionen entstanden, haben jedoch Probleme mit längeren Impulsen, die häufiger in industriellen und medizinischen Anwendungen verwendet werden. Die Einschränkungen hängen mit der Komplexität der ausreichenden Streckung der Impulse innerhalb eines kompakten optischen Aufbaus zusammen.

Forscher der Universität Lund haben nun eine kompakte und elegante Möglichkeit entwickelt, ultraschnelle Laserpulse mithilfe eines einfachen optischen Prinzips zu strecken. Indem sie einen gepulsten Laserstrahl durch ein Beugungsgitter schicken – eine Komponente, die Licht räumlich in seine Farben aufteilt – und das Gitter mit einer Kombination von Linsen abbilden, können sie die Impulsdauer über den Laserstrahl hinweg präzise steuern.

Mit diesem Ansatz können Femtosekundenpulse in einem kompakten optischen Aufbau um mehr als das Zehnfache verlängert werden.

Dies ermöglicht eine vollständige Charakterisierung in einer einzigen Aufnahme, ohne dass optische Vorkompensationselemente erforderlich sind. Das Ergebnis dieser Arbeit ist eine vielseitige Technik, die für Pulsdauern von wenigen Femtosekunden bis zu Hunderten arbeiten kann und somit wissenschaftliche, industrielle und medizinische Anwendungen abdeckt. Es öffnet die Tür zur Echtzeitüberwachung einzelner Impulse, was für viele Laserplattformen bisher unerreichbar war.

Nach vorne schauen

Über die Pulscharakterisierung hinaus kann dieses optische Prinzip angewendet werden, um die räumlich-zeitlichen Eigenschaften von Lichtpulsen zu formen und verschiedene Möglichkeiten zur Untersuchung von Licht-Materie-Wechselwirkungen zu erkunden.

„Da ultraschnelle Laser weiterhin Innovationen in Wissenschaft und Technologie vorantreiben, werden Werkzeuge wie dieses von entscheidender Bedeutung sein, um die Grenzen von Präzision und Verständnis zu verschieben“, schließt Cord Arnold, Dozent für Atomphysik an der Universität Lund.

Dieser Artikel wurde von der Universität Lund verfasst. Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Daniel Diaz Rivas, Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie es sehen können.

Quelle