Femtosekundenpulse

Femtosekundenpulse sind optische Pulse mit sehr kurzen Dauern im Bereich von etwa 1 bis wenigen hundert Femtosekunden (10^-15 s). Aufgrund der kurzen Dauer besitzen sie eine sehr breite spektrale Bandbreite; das Zeit-Bandbreite-Produkt bedeutet, dass Pulse nahe dem Fourier-Grenzwert auftreten, sofern Dispersion und Chirp sorgfältig kompensiert werden.

Sie werden hauptsächlich durch mode-locked Laser erzeugt. Typische Quellen sind Ti:Saphier-Laser im nahen Infrarot (etwa 700–1000 nm) sowie Faserlaser; oft kommen Kerr-Lens-Mode-Locking (Kerr-Lens-Mode-Locking, KLM) oder saturable Absorber zum Einsatz. Um höhere Pulsenergien zu erreichen, werden Chirped-Pulse-Amplification (CPA) Systeme eingesetzt, bei denen der Pulse zeitlich gestreckt, amplifiziert und anschließend komprimiert wird.

Zur Charakterisierung der Pulse dienen Messtechniken wie Autokorrelation, FROG (Frequency-Resolved Optical Gating) oder SPIDER, mit denen Dauer, Spektrum und Phasenstruktur bestimmt werden.

Anwendungen reichen von zeitaufgelösten Experimenten in der Chemie und Physik über Pump-Probe-Spektroskopie und Femtochemistry bis hin zur ultrakurzen Mikroskopie und Materialbearbeitung. In der Medizin werden Femtosekundenlaser z. B. in der Augenheilkunde für präzise Gewebsbearbeitung eingesetzt, und in der Mikro- bzw. Nanostrukturierung finden sie breite Anwendung.

Herausforderungen umfassen Dispersion, Nichtlinearitäten und Kosten. Die Dispersionstechnik und das Dispersion-Management sind essenziell, um pulses nahe dem theoretischen Limit zu halten.

Historisch markierten die Entwicklung mode-locked Lasers in den 1980er-Jahren sowie CPA in den 1980er/1990er-Jahren den Durchbruch bei der Erzeugung von Femtosekundenpulsen; 2018 wurde Mourou, Strickland und Ashkin für bahnbrechende Laserinnovationen ausgezeichnet.