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Grafische Darstellung des optischen Bass für die Laserwellen

"Optischer Bass" für ultrakurze Laserpulse

Eine neue Möglichkeit, ultrakurze Laserpulse zu formen, haben Wissenschaftler der Technischen Universität (TU) Wien entwickelt. Durch Kombination verschiedener Lichtfrequenzen, vor allem durch Hinzufügen eines langwelligen Anteils, näherten sie sich der für das Formen des Laserpulses optimalen Welle stark an.

Physik 21.05.2014

Optimale Welle

Die Studie im "Physical Review X":

"Optimization of Quantum Trajectories Driven by Strong-Field Waveforms" von S. Haessler et al., erschienen am19. Mai 1014.

Ultrakurze Lichtpulse werden benötigt, um extrem schnell ablaufende Quantenphänomene studieren zu können, etwa die Bewegung von Elektronen im Atom. Die Lichtpulse dürfen dazu nur wenige Attosekunden lang sein, ein paar Milliardstel einer Milliardstelsekunde.

Erzeugt werden diese Pulse, indem ein deutlich längerer Lichtblitz auf ein Atom abgefeuert wird. Das Licht entreißt dem Atom ein Elektron und treibt es mit sich fort. Nach kurzer Zeit wird das Elektron vom elektrischen Feld des Lasers abgebremst und in die entgegengesetzte Richtung beschleunigt. Schließlich kollidiert das Elektron wieder mit "seinem" Atom. Im optimalen Fall wird dabei der gewünschte Attosekunden-Laserpuls ausgesendet.

"Ob das Elektron das Atom wieder trifft und mit welcher Wucht das geschieht, hängt von der genauen Form der Laserwelle ab", erklärt Stefan Haessler vom Institut für Photonik der TU Wien. Seit Jahren wird daran gearbeitet, die Form der Lichtwellen gezielt anzupassen, um die Bahn der Elektronen so zu steuern, dass sie in optimaler Weise mit dem Atom kollidieren.

Am besten gelingt das, wenn bei der Herstellung des ersten, längeren Laserpulses Licht unterschiedlicher Wellenlänge zusammengefügt wird. Dadurch entsteht nicht eine Sinus-förmige Schwingung, wie man sich eine Lichtwelle gemeinhin vorstellt, sondern eine kompliziertere, sägezahnartige Form. Die TU vergleicht dies mit der Akustik, wo unterschiedliche Klangfarben durch Überlagerung von Wellen unterschiedlicher Frequenz erzeugt werden.

Welle mit zusätzlichem "Basston"

Die Wissenschaftler der TU Wien fügten gemeinsam mit Kollegen vom Imperial College London und dem Max-Born-Institut Berlin nicht nur wie bisher eine zusätzliche Welle mit höherer Frequenz zu dem Laserpuls, sondern auch eine mit niedriger Frequenz. Dies sei, wie wenn man dem Laserpuls in gewissem Sinn einen "optischen Basston" hinzufüge, bemüht die Uni erneut einen Vergleich aus der Akustik. Dadurch würden sich die Möglichkeiten für das Formen des Laserpulses gewaltig erweitern, "wir kommen damit der theoretisch berechneten 'perfekten Welle' schon ziemlich nahe", so Haessler.

Im Vergleich zu herkömmlichen Sinus-Wellen konnte so eine hundertfach stärkere Strahlung an Attosekunden-Pulsen erzeugt werden. Die Wissenschaftler sind auch überzeugt, dass sich viele andere Laser-getriebene Effekte auf diese Weise optimieren lassen. Auch durch Hinzufügen weiterer Frequenzen könnten die Möglichkeiten erweitert werden.

science.ORF.at/APA

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