Laserpulse mit der kurzestmöglichen Dauer
Ultrakurze Laserpulse sind notwendig, um chemische Reaktionen in Echtzeit aufzuzeichnen. Auf dem Gebiet der Biophysik ist eine kurzmöglichste Dauer notwendig, um Intensitäten zu erreichen, die hoch genug sind, um in bisher unzugängliche Bereiche der extremen nichtlinearen Optik vorzudringen. fs-Pulse ermöglichen zudem eine genaue medizinische Behandlung ohne benachbarte Zellen zu beschädigen. Die Erzeugung von Pulsen mit wenigen Zyklen im sichtbaren und infrarotnahen (near-infrared, IR) Bereich hängt heute von komplizierten Anordnungen ab. Diese bestehen typischerweise aus einem nicht kollinearen optischen parametrischen Verstärker, der durch Hochenergie-fs-Pulse aus einem regenerativen Titan:Saphir-Laserverstärker gespeist wird. EU-finanzierte Wissenschaftler schlugen stattdessen eine gänzlich andere und einfachere Methode vor. Die von Wissenschaftlern im Zuge des Projekts COPULCO (Cascaded optical pulse compressor) untersuchte Methode basierte auf einer Solitonenkompression. Längere Pulse werden aufgrund der einzigartigen Eigenschaften von Solitonen höherer Ordnung in einem einzelnen nichtlinearen Materialteil gezielt komprimiert. Dies wird als kaskadierte quadratische Solitonenkompression bezeichnet. Die COPULCO-Mitglieder arbeiteten an kaskadierenden quadratischen Solitonenkompressionen in quadratischen nichtlinearen Wellenleitern. Diese Wellenleiter sind nicht nur für deren inhärente nichtlineare Eigenschaften bekannt, sondern auch dafür, eine ausgezeichnete Lenkung von Laserlichtstrahlen zu ermöglichen. Licht wurde in den Wellenleiter geleitet, um die Effekte räumlicher Diffraktionen zu unterdrücken und um die Laserpulsintensität zu erhöhen. Die Solitonen wurden über einen kaskadierten Phasen-Nichtübereinstimmungs-Prozess erzeugt. Das inhärente Material selbstfokussierender Nichtlinearitäten konnte über ein breites Wellenlängenspektrum übertroffen werden und selbstdefokussierende Solitonen wurden von 1 100 bis 1 900 nm unterstützt. Wissenschaftler beobachteten ebenfalls selbstkomprimierte Solitonen mit fs-Nanojoule-Laserpulsen. Die Arbeit im Rahmen von COPULCO vertiefte insbesondere das aktuelle Verständnis zur Solitonen-Tunnelspektroskopie und darüber, wie nichtlineare Phänomene zur Modifizierung von Wechselbereichen genutzt werden können. Die extreme Dispersionserzeugung in nichtlinearen Materialien führte zu einer Ausweitung des Dispersionsbereichs auf längere Wellenlängen und es wurde sogar ein nominales Dispersionsprofil erreicht. Die COPULCO-Ergebnisse weisen darauf hin, dass die kaskadierte quadratische Solitonenkompression auf nahe und mittlere IR-Strahlungswellenlängen erweitert werden kann. Ferner funktioniert das Verfahren mit robusten, kostengünstigen IR-Pumplasern, die Pulse mit fs-Dauer erzeugen.
Schlüsselbegriffe
Laserpulse, Femtosekunde, infrarotnah, COPULCO, Solitonenkompression, Wellenleiter