Lichtimpulsen

Lichtimpulsen sind kurze Blitze elektromagnetischer Strahlung, die typischerweise im sichtbaren bis nahinfraroten Spektralbereich auftreten. Ihre charakteristische Eigenschaft ist eine sehr kurze Dauer, von Picosekunden bis Attosekunden, verbunden mit hoher Spitzenleistung und einem breiten Spektrum. Aufgrund der Fourier-Unschärferelation wird das Spektrum breiter, je kürzer der Impuls ist, weshalb ultrakurze Pulse oft mit speziellen Techniken erzeugt und exakt gemessen werden.

Erzeugung und Eigenschaften: Die verbreitetste Methode zur Erzeugung ultrakurzer Lichtimpulse ist die Moden-Lockung von Lasern, oft in Verbindung mit Chirped-Pulse-Amplification (CPA), um kurze Dauer mit ausreichender Energie zu kombinieren. Weitere Techniken umfassen Kerr-Locking und saturierbare Absorber. Dispersion muss sorgfältig kompensiert werden, um die Impulsform zu erhalten; üblicherweise kommen Prismensysteme oder Gitter zum Einsatz, um die Gruppenlaufzeit zu korrigieren. Typische Pulsdauern reichen von wenigen Femtosekunden bis hin zu Attosekunden; Repetition Rates variieren von einigen Kilohertz bis GHz; Pulsenergien und Peak-Power sind stark temperaturabhängig und motivationsabhängig.

Messung und Charakterisierung: Die exakte Bestimmung von Dauer und Struktur erfolgt durch Autocorrelation, FROG (Frequency-Resolved Optical Gating) oder SPIDER-Verfahren, oft in Kombination mit Spektralfunktionen, um die zeitliche Phasenbeziehung zu rekonstruieren. Diese Techniken liefern Informationen über Pulsform, Dauer, Frequenzinhalt und Phasenlage.

Anwendungen: Ultrakurzzeit-Spektroskopie und Pump-Probe-Experimente in Chemie, Biologie und Materialwissenschaft ermöglichen die Beobachtung dynamischer Prozesse in Nanosekunden bis Attosekunden. Weitere Anwendungen finden sich in der Mikrobearbeitung, der optischen Bildgebung (z. B. OCT) sowie in der Hochgeschwindigkeitskommunikation und in der Grundlagenforschung zur Elektronendynamik.

Historie: Die Entwicklung ultrakurzer Pulse begann in den 1960er-Jahren mit Nanosekundimpulsen durch Q-Schalten; in den 1980er/1990er-Jahren ermöglichten Mode-Locking und CPA Pulsdauern im Femtosekundenbereich. In den 2000er-Jahren wurden Attosekundenpulse durch Hochharmonische Erzeugung zugänglich.