Starke Femtosekunden-Pulse im Infrarot
Neuartige Lichtquelle liefert ultrakurze Lichtpulse im mittleren Infrarot.
Eine neue Lichtquelle erzeugt ultrakurze Infrarotpulse bei einer Wellenlänge um zwölf Mikrometer mit zuvor unerreichter Spitzenintensität und Stabilität. Erste Anwendungen in der Schwingungsspektroskopie an Wasser demonstrieren das hohe Anwendungspotential des Systems. Forscher des Max-Born-Instituts in Berlin berichten über eine neue Lichtquelle, die ultrakurze Infrarotpulse jenseits der Wellenlänge von zehn Mikrometern mit Rekordparametern liefert.
Ultrakurze Lichtpulse stellen ein wichtiges Werkzeug in der Grundlagenforschung dar und haben darüber hinaus Eingang in zahlreiche optische Technologien gefunden. Der infrarote Spektralbereich mit Wellenlängen größer als ein Mikrometer spielt für die optische Kommunikation eine Schlüsselrolle, aber auch in der optischen Mess- und Analysetechnik und bei bildgebenden Verfahren wird Licht mit Wellenlängen von bis zu 300 Mikrometer eingesetzt.
Eine besondere technische Herausforderung sind extrem kurze Pulse, bei denen die Lichtwellen nur wenige Schwingungszyklen aufweisen („few cycle“-Pulse). Deren Erzeugung erfordert eine präzise Kontrolle der Phase der Lichtwellen und ihrer Ausbreitungsbedingungen. Few-cycle-Pulse bei Wellenlängen größer als zehn Mikrometer sind für grundlegende Untersuchungen der Nichtgleichgewichtseigenschaften kondensierter Materie, also von Festkörpern und Flüssigkeiten, wichtig und besitzen ein hohes Anwendungspotential, etwa in der optischen Materialbearbeitung. Aus diesen Gründen ist die Erzeugung derartiger Pulse ein hochaktuelles Forschungsthema.
Forscher des Max-Born-Instituts in Berlin berichten nun über eine neue Lichtquelle, die ultrakurze Infrarotpulse jenseits der Wellenlänge von zehn Mikrometern mit Rekordparametern liefert. Das extrem kompakte System beruht auf dem Konzept der optisch-parametrischen Verstärkung (engl. Optical Parametric Chirped Pulse Amplification, OPCPA), bei der ein schwacher ultrakurzer Infrarotpuls durch die Wechselwirkung mit einem intensiven Pumpimpuls kürzerer Wellenlänge in einem nichtlinearen Kristall verstärkt wird. In der neuartigen Lichtquelle treiben Pumppulse von zirka drei Pikosekunden Dauer und einer Wellenlänge von zwei Mikrometern einen dreistufigen parametrischen Verstärker mit einer Pumpenergie von sechs Millijoule. Die verstärkten Pulse bei einer Wellenlänge um zwölf Mikrometer besitzen eine Energie von 65 Millijoule und eine Dauer von 185 Femtosekunden, was einer Spitzenleistung um 0,4 Gigawatt innerhalb von rund fünf optischen Zyklen der Lichtwelle entspricht. Die hochstabilen Infrarotpulse besitzen eine Wiederholrate von einem Kilohertz und exzellente optische Strahlparameter. Ausgangsleistung und Repetitionsrate des Systems sind skalierbar.
Das Potenzial dieser unikalen Quelle wurde in ersten Infrarotexperimenten an flüssigem Wasser demonstriert. Dabei wurden gehinderte Rotationen, also Librationen, von Wassermolekülen erstmals so stark angeregt, dass ihre optische Absorption signifikant abnahm. Aus der Analyse dieser Absorptionssättigung lässt sich eine Lebensdauer der Librationsanregung von 20 bis 30 Femtosekunden abschätzen.
MBI / DE
