Femtosekunden-Lichtimpulse im mittleren Infrarot für spektroskopische und technische Anwendungen |
Eine neue Lichtquelle erzeugt ultrakurze Infrarotimpulse bei einer Wellenlänge um 12 µm mit zuvor unerreichter Spitzenintensität und Stabilität. Erste Anwendungen in der Schwingungsspektroskopie an Wasser demonstrieren das hohe Anwendungspotential des Systems. Ultrakurze Lichtimpulse stellen ein wichtiges Werkzeug in der Grundlagenforschung dar und haben darüber hinaus Eingang in zahlreiche optische Technologien gefunden. Der infrarote Spektralbereich mit Wellenlängen größer als 1 µm spielt für die optische Kommunikation eine Schlüsselrolle, aber auch in der optischen Mess- und Analysetechnik und bei bildgebenden Verfahren wird Licht mit Wellenlängen von bis zu 300 µm eingesetzt.
Eine besondere technische Herausforderung sind extrem kurze Impulse, bei
denen die Lichtwellen nur wenige Schwingungszyklen aufweisen ("few
cycle" pulse). Deren Erzeugung erfordert eine präzise Kontrolle der
Phase der Lichtwellen und ihrer Ausbreitungsbedingungen. Few-cycle
Impulse bei Wellenlängen größer als 10 µm sind für grundlegende
Untersuchungen der Nichtgleichgewichtseigenschaften kondensierter
Materie, d. h. von Festkörpern und Flüssigkeiten wichtig und besitzen
ein hohes Anwendungspotential, etwa in der optischen
Materialbearbeitung. Aus diesen Gründen ist die Erzeugung derartiger
Impulse ein hochaktuelles Forschungsthema.
Forscher des
Max-Born-Instituts in Berlin berichten in der Fachzeitschrift Optica
über eine neue Lichtquelle, die ultrakurze Infrarotimpulse jenseits der
Wellenlänge von 10 µm mit Rekordparametern liefert. Das extrem kompakte
System beruht auf dem Konzept der optisch-parametrischen Verstärkung,
engl. ‚Optical Parametric Chirped Pulse Amplification‘ (OPCPA), bei der
ein schwacher ultrakurzer Infrarotimpuls durch die Wechselwirkung mit
einem intensiven Pumpimpuls kürzerer Wellenlänge in einem nichtlinearen
Kristall verstärkt wird. In der neuartigen Lichtquelle treiben
Pumpimpulse von ca. 3 ps Dauer und einer Wellenlänge von 2 µm einen
dreistufigen parametrischen Verstärker mit einer Pumpenergie von 6 mJ.
Die verstärkten Impulse bei einer Wellenlänge um 12 µm besitzen eine
Energie von 65 µJ und eine Dauer von 185 fs, was einer Spitzenleistung
um 0,4 Gigawatt (1 GW = 109 W) innerhalb von ca. 5 optischen Zyklen der
Lichtwelle entspricht (Abb. 1). Die hochstabilen Infrarotimpulse
besitzen eine Wiederholrate von 1 kHz und exzellente optische
Strahlparameter. Ausgangsleistung und Repetitionsrate des Systems sind
skalierbar.
Das Potenzial dieser unikalen Quelle wurde in ersten
Infrarotexperimenten an flüssigem Wasser demonstriert. Dabei wurden
gehinderte Rotationen, sog. Librationen von Wassermolekülen erstmals so
stark angeregt, dass ihre optische Absorption signifikant abnahm. Aus
der Analyse dieser Absorptionssättigung lässt sich eine Lebensdauer der
Librationsanregung von 20 bis 30 fs abschätzen.
Den Artikel finden Sie unter:
https://mbi-berlin.de/de/forschung/highlights/details/intense-femtosecond-light-pulses-in-the-mid-infrared-for-spectroscopic-and-technical-applications
Quelle: Max-Born-Institut (MBI) im Forschungsverbund Berlin e.V. (11/2022)
Publikation Few-cycle 65 µJ pulses at 11.4 µm for ultrafast longwave-infrared spectroscopy P. Fuertjes, M. Bock, L. von Grafenstein, D. Ueberschaer, U. Griebner and T. Elsaesser Optica 9, 1303-1306 (2022). https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.95.081101 |