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Max-Born-Institut: kürzester Lichtimpuls mit Molekülschwingungen erzeugt

01.06.2001

Den weltweit kürzesten Lichtimpuls mit einer Dauer von 3,8 Femtosekunden (fs) haben Forscher des Berliner Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) erzeugt. Das teilten sie kürzlich auf der CLEO 2001 (Conference on Lasers and Electro-Optics) in Baltimore, USA, in einem Postdeadline-Beitrag mit. Danach gelang ihnen dieser Weltrekord durch Manipulation der Eigenschaften von Licht bei Wechselwirkung mit schwingenden Gasmolekülen. Zur Anregung nutzen sie einen Titan-Saphir-Laser.

Femtosekunden-Technologie zielt darauf ab, superschnelle Prozesse in Natur und Technik durch optische Verfahren zu erfassen, zu analysieren und zu steuern. Dabei wird Licht je nach Einsatzgebiet als universelle Sonde, als Werkzeug und als hoch effizienter Informationsträger eingesetzt. Anwendungen zeichnen sich in der Mess- und Prozesstechnik, der Kommunikationstechnologie, der Medizin und Biotechnologie sowie in der Umwelttechnik und Materialentwicklung ab.

Eine Femtosekunde (fs = 10-15 sec) ist der milliardste Teil einer millionstel Sekunde - eine Größenordnung, die sich gewöhnlicher Vorstellung verschließt. Zum Vergleich: In einer Sekunde umrundet ein ausgesandtes Lichtsignal ca. sieben Mal die Erde; in einer Femtosekunde durchquert dasselbe Signal nur den Bruchteil einer Haaresbreite. Setzt man eine Femtosekunde zu einer "normalen" Sekunde in Beziehung, so entspricht das dem Verhältnis von einer Sekunde zu 32 Millionen Jahren.

Die Spitzenleistung gelang der MBI-Gruppe mit einem von ihr entwickelten neuen Verfahren zur Manipulation der Phase von Lichtimpulsen. Bisherige Verfahren basieren auf der so genannten nichtlinearen Selbsteinwirkung (Selbstphasenmodulation) des Lichtimpulses. Dieser Prozess erzeugt zusätzliche Frequenzkomponenten, die dann durch Kompression zu einem kürzeren Impuls quasi zusammengepresst werden. Dieser Prozess ist aber nicht so gut kontrollierbar.

Bei ihrem neuen Verfahren nutzen die MBI-Physiker die molekularen Schwingungen in einer Gassäule. Moleküle schwingen im Bereich unter 100 fs und sind damit als sehr schnelle Lichtmodulatoren einsetzbar. Das MBI-Team regt die schwingenden Gasmoleküle mit einem ersten starken Laserpuls, ähnlich einem Hammerschlag, an. Dann wird ein zweiter Puls durch das Gas geschickt, wobei sich seine Phase durch die bereits schwingenden Moleküle verändert und wieder neue Frequenzkomponenten entstehen. "Es ist eine kleine Variation des zeitlichen Abstands zwischen dem ersten und zweiten Puls, mit der wir die Phase des Lichtes in den richtigen Zustand bringen, so dass sich die Kompression dann leichter durchführen lässt", erklärt Projektleiter Dr. Georg Korn. Dieser Trick bietet einen weiteren Vorteil: der Prozess ist dann wesentlich besser zu kontrollieren.

Die experimentellen Arbeiten zur Entwicklung und Anwendung von Femtosekundenlasern verlangen hohes experimentelles Geschick und viel Erfahrung. "Ich hatte das große Glück, Dr. Nikolai Zhavoronkov als einen erfahrenen Laserphysiker an meiner Seite zu haben, der sich in der monatelangen Vorbereitung des Experiments engagiert hat", bemerkt Dr. Korn. Seine Arbeitsgruppe gehört zum Bereich "Cluster und Grenzflächen" (Leitung Prof. Dr. Ingolf Hertel) des Max-Born-Instituts.

Im MBI werden ultraschnelle Laser zur Aufklärung von chemischen Elementarprozessen eingesetzt, die u.a. für die Materialforschung und die Katalyse von Bedeutung sind. Die extrem kurzen Pulse können jetzt zur Untersuchung von ultraschnellen dynamischen Phänomenen mit einer bisher unbekannten Zeitauflösung herangezogen werden. Das Max-Born-Institut verfügt gegenwärtig über 7 ultraschnelle Lasersysteme. Im Femtosekunden-Applikationslabor werden diese Anlagen auch von Wissenschaftlern des In- und Auslands und aus der Industrie vielfältig genutzt. Dabei ist die finanzielle Unterstützung im Rahmen von Förderprogrammen der Europäischen Union eine wichtige Hilfe.

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