Wie polarisiertes Licht über Raum und Zeit „gefilmt“ wird
Sonnenlicht und fast jede andere Art der natürlichen und künstlichen Beleuchtung besteht aus Lichtwellen, deren elektrische Feldvektoren in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingen. Ist die Ausrichtung des elektrischen Feldvektors ausreichend gut definiert – d. h. ist sie keinen zufälligen Schwankungen in Abhängigkeit von der Zeit unterworfen –, dann ist das Licht polarisiert. Die am weitesten verbreitete Quelle polarisierten Lichts ist der Laser. „Im Gegensatz zur Frequenz und zeitlichen Dauer der von einem Laser erzeugten Lichtpulse ist die Polarisation(öffnet in neuem Fenster) eine weniger unmittelbare, aber dennoch grundlegende Eigenschaft des Lichts, die in hohem Maße bestimmen kann, wie Licht und Materie interagieren. So kann zum Beispiel ein Lichtstrahl mit einer bestimmten Polarisation perfekt und reflexionsfrei durch Glas hindurchgelassen werden. Normales (unpolarisiertes) Licht wird immer zum Teil reflektiert; nur deshalb können wir eine Glastür oder ein Fenster erkennen, obwohl sie transparent sind“, erklärt Helder Crespo, Koordinator des Projekts FastMeasure(öffnet in neuem Fenster), das im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanziert und vom Stipendiaten Benjamín Alonso geleitet wird.
Neuartige Messtechnik überwindet aktuelle Grenzen
Als Vektorgröße hat das elektrische Feld des Lichts sowohl einen Betrag als auch eine Richtung. „Im einfachsten Fall der ultrakurzen Laserpulse ist die räumliche Ausrichtung des elektrischen Felds der Pulse zeitlich konstant. Jedoch beruht eine zunehmende Anzahl von Anwendungen auf zeitlich veränderlichen Orientierungen des elektrischen Felds“, fügt Crespo hinzu. „Unser Hauptziel war die Entwicklung eines Verfahrens zur Charakterisierung der Vektorstrahlen ultraschneller Laser(öffnet in neuem Fenster), deren Polarisation simultan von den Zeit- und Raumkoordinaten abhängt.“ Eine Charakterisierung dieser Art gestaltet sich technisch äußerst schwierig und liegt seit vielen Jahrzehnten außerhalb des realisierbaren Bereichs der traditionellen Impulsmessverfahren. Insbesondere bei Polarisationsmessungen stößt man auf grundlegende Schwierigkeiten bei der Bestimmung der relativen Phase zwischen den beiden orthogonalen Komponenten des elektrischen Felds. Gibt es keinen Phasenunterschied zwischen den beiden orthogonalen Komponenten und ist die Lichtwelle linear polarisiert, liegen die Dinge einfach. Unterscheiden sich jedoch die Komponenten des elektrischen Felds und befinden sie nicht in Phase, dann ist die Welle elliptisch polarisiert. Um dieses Problem zu umgehen und die vollständige Phase des Strahls zu messen, wandte die Forschungsgruppe ein auf dualer Interferometrie beruhendes Verfahren an. Im Einzelnen setzten sie die Interferometrie zur Bestimmung der relativen Phase der beiden orthogonalen Komponenten sowie einen faseroptischen Koppler zur Bestimmung der Phase einer Komponente ein. Das erste Interferometer bestand aus einer doppelbrechenden Platte, welche die Vektorkomponenten des elektrischen Felds verzögerte. Auf diese Weise konnte ein gemeinsamer optischer Weg für die interferierenden Komponenten geschaffen werden, wodurch auch die Empfindlichkeit gegenüber Störungen aus der Umgebung weitgehend reduziert wurde. Unter Einsatz dieses neuartigen Aufbaus könnte das Forschungsteam die ultraschnellen Komponenten des elektrischen Felds mit ihrer wechselnden Schwingungsausrichtung erfassen. So könnte zum Beispiel eine Drehung im Uhrzeigersinn zu einer linearen Schwingung werden, und diese Bewegung könnte sich dann in eine Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn umwandeln. „Die sowohl räumliche als auch zeitliche Abbildung der Polarisation von Licht könnte bei den optischen Pinzetten(öffnet in neuem Fenster), diesen äußerst effizienten Werkzeugen zur Untersuchung einer Vielzahl biologischer Systeme, den Fortschritt beschleunigen“, merkt Crespo an. Über die Arbeit des Projekts wird in Communications Physics(öffnet in neuem Fenster) berichtet.
Stabilere und zuverlässigere ultrakurze Laserpulse
Ein weiterer Forschungsansatz zielte auf die Entwicklung eines eng verwandten Verfahrens, des ersten seiner Art, zur Messung der Kohärenzeigenschaften und der damit im Zusammenhang stehenden Impulsfolgeinstabilitäten bei ultraschnellen Lasern ab. Die Projektaktivitäten sind für die Entwicklung neuartiger Faserlaserquellen(öffnet in neuem Fenster) von besonderer Relevanz, die aufgrund von Nichtlinearitäten in Bezug auf Durchschnitts- und Spitzenleistung eingeschränkter als ihre herkömmlichen Gegenstücke sind. Über die Forschungsarbeit wird in Scientific Reports(öffnet in neuem Fenster) berichtet.
Schlüsselbegriffe
FastMeasure, Licht, elektrisches Feld, Phase, Polarisation, Ausrichtung, Orientierung, ultrakurze Laserpulse, ultraschnelle Laser, optische Pinzetten
