Tills nu, komplex experimentell utrustning krävdes för att mäta formen på en ljuspuls. Ett team från TU Wien (Wien), MPI Garching och LMU München har nu gjort detta mycket enklare.

I dag, moderna lasrar kan generera extremt korta ljuspulser, som kan användas för ett brett spektrum av tillämpningar från undersökningsmaterial till medicinsk diagnostik. För det här syftet, det är viktigt att mäta laserljusvågens form med hög noggrannhet. Tills nu, detta har krävt en stor, komplexa experimentupplägg. Nu kan detta göras med en liten kristall med en diameter på mindre än en millimeter. Den nya metoden har utvecklats av MPI för Quantum Optics in Garching, LMU München och TU Wien (Wien). Förskottet kommer nu att hjälpa till att klargöra viktiga detaljer om samspelet mellan ljus och materia.

Tittar på ljus med elektroner

Extremt korta ljuspulser med en varaktighet i storleksordningen femtosekunder (10-15 sekunder) undersöktes. "För att skapa en bild av sådana ljusvågor, de måste fås att interagera med elektroner, " säger Prof. Joachim Burgdörfer från Institutet för teoretisk fysik vid TU Wien. "Elektronernas reaktion på laserns elektriska fält ger oss mycket exakt information om formen på ljuspulsen."

Tidigare, det vanliga sättet att mäta en infraröd laserpuls var att lägga till en mycket kortare laserpuls med en våglängd i röntgenområdet. Båda pulserna skickas genom en gas. Röntgenpulsen joniserar enskilda atomer, elektroner frigörs, som sedan accelereras av den infraröda laserpulsens elektriska fält. Elektronernas rörelse registreras, och om experimentet utförs många gånger med olika tidsförskjutningar mellan de två pulserna, formen på den infraröda laserpulsen kan så småningom rekonstrueras. "Den experimentella ansträngningen som krävs för denna metod är mycket hög, " säger prof. Christoph Lemell (TU Wien). "En komplicerad experimentell uppställning behövs, med vakuumsystem, många optiska element och detektorer."

Mätning i små kiseloxidkristaller

För att kringgå sådana komplikationer, idén föddes att mäta ljuspulser inte i en gas utan i ett fast ämne:"I en gas måste man först jonisera atomer för att få fria elektroner. I ett fast ämne räcker det att ge elektronerna tillräckligt med energi så att de kan röra sig igenom det fasta, drivs av laserfältet, " säger Isabella Floss (TU Wien). Detta genererar en elektrisk ström som kan mätas direkt.

Små kristaller av kiseloxid med en diameter på några hundra mikrometer används för detta ändamål. De träffas av två olika laserpulser:Pulsen som ska undersökas kan ha vilken våglängd som helst från ultraviolett ljus och synliga färger till långvågigt infrarött. Medan denna laserpuls penetrerar kristallen, ytterligare en infraröd puls avfyras mot målet. "Denna andra puls är så stark att icke-linjära effekter i materialet kan förändra elektronernas energitillstånd så att de blir rörliga. Detta händer vid en mycket specifik tidpunkt, som kan ställas in och styras mycket exakt, " förklarar Joachim Burgdörfer.

Så snart elektronerna kan röra sig genom kristallen, de accelereras av den första strålens elektriska fält. Detta producerar en elektrisk ström som mäts direkt vid kristallen. Denna signal innehåller exakt information om formen på ljuspulsen.

Många möjliga tillämpningar

På TU Wien, effekten studerades teoretiskt och analyserades i datorsimuleringar. Experimentet utfördes vid Max Planck Institute for Quantum Optics i Garching. "Tack vare det nära samarbetet mellan teori och experiment, vi har kunnat visa att den nya metoden fungerar mycket bra, över ett stort frekvensområde, från ultraviolett till infrarött, " säger Christoph Lemell. "Vågformen av ljuspulser kan nu mätas mycket lättare än tidigare, med hjälp av en så mycket enklare och mer kompakt installation."

Den nya metoden öppnar upp för många intressanta tillämpningar:Det ska vara möjligt att exakt karakterisera nya material, att svara på grundläggande fysiska frågor om samspelet mellan ljus och materia, och till och med för att analysera komplexa molekyler – till exempel, att tillförlitligt och snabbt upptäcka sjukdomar genom att undersöka små blodprover.