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Wellennatur des Lichts in Super-Zeitlupe

Die Grafik zeigt den Versuchsaufbau. Die FAU-Forscher haben Laserimpulse (rote Pfeile) auf eine nanometerscharfe Metallspitze fokussiert (Nanotip), so dass diese Elektronen emittiert. Diese Elektronen fungieren für die Wissenschaftler als Sonde für die genaue Form der Lichtwelle. (Grafik: Hoff/Krüger/FAU)

Physiker der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und der Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU) sind bei der Erforschung des Lichts in neue Größenordnungen vorgestoßen. Mit sehr hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung haben sie das Verhalten extrem kurzer Laserpulse während der Fokussierung charakterisiert. Die Erkenntnisse sind von fundamentaler Bedeutung für die Wechselwirkung von Licht und Materie und ermöglichen eine bisher ungekannte Kontrolle von Elektronenbewegungen und chemischen Reaktionen. Von den Erkenntnissen der Grundlagenforscher können vor allem weitere Forschungen zu neuartigen Strahlungsquellen und Lichtwellenelektronik profitieren. Die Ergebnisse ihrer Arbeit wurden jetzt in der der renommierten Fachzeitschrift „Nature Physics“ veröffentlicht (doi: http://dx.doi.org/10.1038/nphys4185).

Ultrakurze Lichtpulse, die aus so breiten optischen Spektren bestehen, dass die Strahlen weiß aussehen, sind heute weit verbreitet. Sie werden unter anderem eingesetzt, um die Netzhaut des Auges zu untersuchen oder um physikalische Vorgänge auf atomarer Ebene zeitlich aufzulösen und zu steuern. In fast allen dieser Anwendungen werden die weißen Laserpulse fokussiert. Da die genaue Form der Lichtwelle bestimmt, wie sich zum Beispiel Elektronen in ihr bewegen, ist es unabdingbar zu wissen, wie der fokussierte Laserstrahl genau aussieht.

Der Effekt lässt sich mit dem Bild eines Schiffes auf stürmischer See veranschaulichen. Für den Steuermann ist es nicht nur von Bedeutung, wie hoch und wie lang die Wellen sind, sondern er muss auch stets die eintreffende Welle im Auge behalten, um zu wissen, zu welchem Zeitpunkt sie auf das Schiff trifft, damit er sicher den Wellenberg hoch und auf der anderen Seite wieder hinunter steuern kann. Genauso ist es für Wissenschaftler bei vielen Experimenten und Anwendungen wichtig zu wissen, wann und wo das Maximum der Lichtwelle etwa auf die Elektronen trifft, um sie gezielt beeinflussen zu können. Die Änderung und Ausbreitung der Wellen des elektrischen Feldes finden dabei auf der Zeitskala von einigen hundert Attosekunden statt – dem milliardsten Teil einer Milliardstelsekunde. Auf dieser Zeitskala konnte bisher die genaue Verteilung der Wellentäler und –berge nicht im Fokus eines Laserstrahls vermessen werden.

Den Erlanger und Jenaer Forschern ist dies nun gelungen: Sie fokussieren Laserpulse auf eine nanometerscharfe Metallspitze, wodurch Elektronen aus der Spitze emittiert werden. Diese Elektronen fungieren für die Wissenschaftler als Sonde für die genaue Form der Lichtwelle.

Dem Licht beim Reisen zugeschaut

Bereits vor fast 130 Jahren hat der französischen Physiker Louis Georges Gouy (1854 – 1926) mittels Interferenz eine Phasenverschiebung bei Fokussierung von einfarbigem Licht beobachtet und beschrieben. Dieser Effekt, nach seinem Entdecker als „Gouy-Phase“ benannt, wurde lange Zeit auch für weiße, also sehr viele Farben umfassende Laserspektren angenommen. Die Messungen der thüringisch-fränkischen Forschungskooperation haben diese Beschreibung erweitert, so dass jetzt auch bei kurzen Lichtpulsen kein Kapitän mehr von unerwartet auftauchenden Wellenbergen überrascht werden muss – um im Bild zu bleiben.

Die Forschungsergebnisse wurden unter dem Titel „Tracing the phase of focused broadband laser pulses“ in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ veröffentlicht.

Weitere Informationen:

Prof. Dr. Peter Hommelhoff
Lehrstuhl für Laserphysik
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
www.laser.physik.fau.de
Tel.: 09131/85-27090
peter.hommelhoff@fau.de

Dominik Hoff, Prof. Dr. Gerhard G. Paulus
Institut für Optik und Quantenelektronik, Bereich Nichtlineare Optik
Friedrich Schiller Universität Jena
Tel.: 03641/947219
dominik.hoff@uni-jena.de