Fysiker vid Laboratory for Attosecond Physics vid Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) i München och vid Max Planck Institute for Quantum Optics (MPQ) har utvecklat en ny typ av detektor som gör det möjligt att exakt bestämma oscillationsprofilen för ljusvågor.

Ljus är svårt att få tag i. Ljusvågor utbreder sig med en hastighet på nästan 300, 000 km per sekund, och vågfronten svänger flera hundra biljoner gånger i samma intervall. I fallet med synligt ljus, det fysiska avståndet mellan på varandra följande toppar av ljusvågen är mindre än 1 mikrometer, och toppar separeras i tiden med mindre än 3 miljondelar av en miljarddels sekund ( <3 femtosekunder). Att arbeta med ljus, man måste kontrollera det – och det kräver exakt kunskap om dess beteende. Det kan till och med vara nödvändigt att veta den exakta positionen för ljusvågens toppar eller dalar vid ett givet ögonblick. Forskare baserade vid Laboratory for Attosecond Physics (LAP) vid LMU München och Max Planck Institute for Quantum Optics är nu i stånd att mäta den exakta platsen för sådana toppar inom enstaka ultrakorta pulser av infrarött ljus med hjälp av en nyutvecklad detektor.

Sådana pulser, som endast omfattar några få svängningar av vågen, kan användas för att undersöka molekylernas beteende och deras bestående atomer, och den nya detektorn är ett mycket värdefullt verktyg i detta sammanhang. Ultrakorta laserpulser tillåter forskare att studera dynamiska processer på molekylära och till och med subatomära nivåer. Med hjälp av tåg av dessa pulser, det är möjligt att först excitera målpartiklarna och sedan filma deras svar i realtid. I intensiva ljusfält, dock, det är avgörande att känna till den exakta vågformen för pulserna. Eftersom toppen av det oscillerande (bärar) ljusfältet och det för pulsenveloppen kan skifta i förhållande till varandra mellan olika laserpulser, det är viktigt att känna till den exakta vågformen för varje puls.

Teamet på LAP, som leddes av Dr Boris Bergues och professor Matthias Kling, chef för Ultrafast Imaging and Nanophotonics Group, har nu gjort ett avgörande genombrott i karakteriseringen av ljusvågor. Deras nya detektor låter dem bestämma fasen, "dvs de exakta positionerna för topparna för de få svängningscyklerna inom varje puls, vid repetitionshastigheter på 10, 000 pulser per sekund. Att göra så, gruppen genererade cirkulärt polariserade laserpulser där orienteringen av det fortplantande optiska fältet roterar som en klockvisare, och fokuserade sedan den roterande pulsen i omgivande luft.

Interaktionen mellan pulsen och molekylerna i luften resulterar i ett kort utbrott av elektrisk ström, vars riktning beror på läget för ljusvågens topp. Genom att analysera den exakta riktningen av strömpulsen, forskarna kunde hämta fasen av "bärar-envelope-offset", " och på så sätt rekonstruera ljusvågens form. Till skillnad från metoden som konventionellt används för fasbestämning, som kräver användning av en komplex vakuumapparat, den nya tekniken fungerar i omgivande luft och mätningarna kräver väldigt få extra komponenter. "Enkelheten i installationen kommer sannolikt att säkerställa att den kommer att bli ett standardverktyg inom laserteknik, " förklarar Matthias Kling.

"Vi tror att denna teknik också kan tillämpas på lasrar med mycket högre upprepningshastigheter och i olika spektrala regioner, "säger Boris Bergues." Vår metod är av särskilt intresse i samband med karakterisering av extremt korta laserpulser med höga upprepningshastigheter, sådana som genereras vid Europas extrema ljusinfrastruktur (ELI), ", tillägger prof. Matthias Kling. När den appliceras på de senaste källorna för ultrakorta laserpulser, denna nya metod för vågformsanalys kan bana väg för tekniska genombrott, samt att tillåta nya insikter om beteendet hos elementarpartiklar "i den snabba banan."