Eine nichtlineare Resonanzkatastrophe im Licht ultrakurzer Impulse

13.02.2015 - Deutschland

Ultrakurze Lichtimpulse aus modernen Lasern erlauben die zeitliche Auflösung selbst der schnellsten Prozesse in Molekülen oder Festkörpermaterialien.

Nach optischer Anregung lassen sich chemische Reaktionen beispielsweise bis auf eine Zeitskala von 10 fs nachverfolgen (1 Femtosekunde (fs) = 10(hoch)-15 Sekunden), auf der das Lichtfeld selbst nur wenige Male hin und her schwingt. Es gibt jedoch eine Klasse optischer Prozesse, die keine meßbare Verzögerung zum Lichtfeld aufweisen und die man bisher als, "instantan" betrachtete. Hierzu gehört die Erzeugung optischer Harmonischer in Kristallen, d.h. von Licht bei Vielfachen der Frequenz der eingestrahlten Grundwelle. Mit diesem Prozess wird das grüne Licht eines Laserpointers aus unsichtbarem Infrarotlicht erzeugt. Die eingestrahlte Frequenz liegt in den meisten Anwendungen fernab jeder Resonanz des Kristalls, um Absorptionsverluste zu vermeiden.

In einer gemeinsamen Arbeit haben nun Forscher des Max-Born-Instituts, des Weierstraß-Instituts und der Leibniz-Universität erstmals gezeigt, dass selbst fern von Resonanzen der Grundwelle ein nichtinstantanes Verhalten auftritt. Die Analyse der mit extrem kurzen Lichtimpulsen in dünnen Titandioxid-Schichtern erzeugten dritten Harmonischen zeigt ein Abklingen des Erzeugungsprozesses mit einer Zeitkonstante von 8 fs, d.h. ein nichtinstantanes Verhalten. Obwohl dies deutlich länger ist als die Dauer der kürzesten momentan verfügbaren Laserimpulse, qualifiziert sich dieser Prozess dennoch als einer der schnellsten, die jemals zeitaufgelöst beobachtet wurden.

Eine eingehende theoretische Modellierung dieser überraschenden Beobachtung zeigt, dass ein nichtinstantanes Verhalten nur auftritt, wenn die erzeugte dritte Harmonische im Bereich einer Resonanz des optischen Materials liegt. Dann oszilliert die vom eingestrahlten Impuls erzeugte Materialanregung für mehrere Lichtperioden und strahlt die dritte Harmonische über dieses Zeitintervall ab. Der Vorgang erscheint daher als eine Art "Resonanzkatastrophe", der – ähnlich wie bei klassischen mechanischen Oszillatoren – zu einer nichtinstantanen Antwort auf die Anregung führt.

Diese Ergebnisse haben wichtige Auswirkungen für Meß- und Erzeugungsverfahren ultrakurzer Lichtimpulse. Derartige Methoden beruhen auf einer instantanen Natur der verwendeten nichtlinearen optische Prozesse. Ähnlich wie man militärischen Gleichschritt auf Brücken vermeiden sollte, muss man daher auch die beobachteten optischen Resonanzen bei der Messung kurzer Laserimpulse umgehen.