Revolutionäres Werkzeug ermöglicht präzise Femtosekunden-Lasermessungen

Photonics & Imaging Technology INSIDER

Der Lab-Aufbau für ein neues Werkzeug, das Femtosekundenlaser messen kann. (Bild: Lund University)

Ultrashorte Laserpulse – die kürzer sind als ein Millionstel eines Millionstels einer Sekunde – haben fundamentale Wissenschaft, Ingenieurwesen und Medizin transformiert. Trotz alledem hat ihre ultrakurze Dauer sie schwer fassbar und schwierig zu messen gemacht. Vor etwa zehn Jahren führten Forscher der Lund University und der Universität Porto ein Werkzeug zur Messung der Pulsdauer ultrakurzer Laser ein. Dasselbe Team hat nun einen Durchbruch erzielt, der die Messung einzelner Laserpulse über einen breiteren Parameterbereich in einem kompakteren Setup ermöglicht.

„Die aktuellen Standardmessungen für Femtosekundenlaser, die typischerweise in Industrie und Medizin verwendet werden, geben nur eine Schätzung der Pulsdauer. Unser Ansatz liefert eine vollständigere Messung und kann dazu beitragen, das volle Potenzial der Ultrakurzlasertechnologie freizusetzen“, sagte Daniel Díaz Rivas, Doktorand in Atomphysik an der Lund University.

Das Konzept von Femtosekundenpulsen ist für die meisten von uns schwer zu begreifen. Dennoch werden sie für eine breite Palette alltäglicher Anwendungen eingesetzt – von Augenoperationen bis zum Mikrobearbeiten in der Industrie. Die extrem kurzen Laserpulse können sogar die schnellsten Prozesse in der Natur untersuchen, wie Energietransfer in der Photosynthese und Elektronendynamik.

Auch als sie immer weiter verbreitet wurden, bleibt die präzise Messung der Pulsform und -dauer eine schwierige Aufgabe. Elektronische Instrumente sind zu langsam, weshalb Forscher auf optische Methoden ausgewichen sind.

Aktuelle Methoden sind begrenzt

Diese optischen Techniken erfordern jedoch typischerweise mehrere Messungen in einer Scanning-Sequenz. Das macht sie ungeeignet für die Erfassung einzelner Pulse in Echtzeit.

Single-Shot-Versionen sind für die Charakterisierung sehr kurzer Pulse entstanden, die in der Grundlagenforschung häufig verwendet werden – aber sie kämpfen mit längeren Pulsen, die in industriellen und medizinischen Anwendungen üblicher sind. Die Limitationen hängen mit der Komplexität zusammen, Pulse in einem kompakten optischen Setup ausreichend zu strecken.

Forscher der Lund University haben nun einen kompakten und eleganten Weg entwickelt, ultrakurze Laserpulse zu strecken, indem sie ein einfaches optisches Prinzip nutzen. Indem sie einen gepulsten Laserstrahl durch ein Beugungsgitter – eine Komponente, die Licht räumlich in seine Farben trennt – senden und das Gitter mit einer Linsen-Kombination abbilden, können sie die Pulsdauer über den Laserstrahl präzise kontrollieren.

Dieser Ansatz ermöglicht es, Femtosekundenpulse innerhalb eines kompakten optischen Setups mehr als zehnfach zu strecken.

Dies ermöglicht eine vollständige Charakterisierung in einem Single-Shot, ohne Vor-Kompensation optischer Elemente. Das Ergebnis dieser Arbeit ist eine vielseitige Technik, die für Pulslängen von wenigen Femtosekunden bis zu hunderten funktioniert und damit wissenschaftliche, industrielle und medizinische Anwendungen abdeckt. Sie öffnet die Tür zur Echtzeit-Überwachung einzelner Pulse, was zuvor für viele Laserplattformen außer Reichweite war.

Ausblick

Jenseits der Pulsmessung kann dieses optische Prinzip angewendet werden, um die raumzeitlichen Eigenschaften von Lichtpulsen zu formen und verschiedene Wege zu erforschen, Licht-Materie-Wechselwirkungen zu untersuchen.

„Da Ultrakurzlaser weiterhin Innovation in Wissenschaft und Technologie antreiben, werden Werkzeuge wie dieses entscheidend sein, um die Grenzen von Präzision und Verständnis zu verschieben“, schließt Cord Arnold, Senior Lecturer in Atomphysik an der Lund University.

Dieser Artikel wurde von der Lund University verfasst. Für weitere Informationen kontaktieren Sie Daniel Diaz Rivas, diese E-Mail-Adresse (vor Spambots geschützt, JavaScript erforderlich).

Quelle