Karlsruher Wissenschaftler erzeugen die kürzesten künstlichen Lichtimpulse

Physiker vom Institut für Hochfrequenztechnik und Quantenelektronik ( IHQ) der Universität Karlsruhe haben die bisher kürzesten künstlichen Lichtimpulse erzeugt. Sie nutzten dazu einen sogenannten Titan-Saphir-Laser. Die Pulse haben eine Dauer von fünf Femtosekunden. Eine Femtosekunde ist der millionste Teil einer Milliardstel Sekunde. Setzt man eine Femtosekunde in Beziehung mit einer Sekunde, so entspricht dies dem Verhältnis von einer Sekunde zu 32 Millionen Jahren.

Laserpulse dieser Kürze werden in der Physik, Chemie, Biologie und Medizin eingesetzt, um Einblicke in ultraschnelle Vorgänge wie chemische Reaktionen zu erhalten. Der Chemiker Ahmed H. Zewail erhielt 1999 den Nobelpreis für Chemie, weil er zeigen konnte, dass Forscher mit eben solchen ultrakurzen Pulsen die Bewegung von Atomen in einem Molekül während einer chemischen Reaktion beobachten können.

Franz Kärtner und seinen Mitarbeitern gelang das Kunststück aufgrund neuer Erkenntnisse über die Pulsformung im Laser und mit extrem breitbandigen Laserspiegeln. Diese Spiegel wurden zusammen mit dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA entwickelt. Die breitbandigen Spiegel sind besonders wichtig, da Femtosekunden-Pulse sich nicht nur durch ihre Kürze, sondern auch durch ihre große spektrale Bandbreite auszeichnen: je kürzer der Puls, desto größer ist im allgemeinen seine Bandbreite. Reflektieren die Laserspiegel das Licht nur in einem kleinen Spektralbereich, so wird dadurch die spektrale Bandbreite des Pulses im Laser eingeengt. In der Folge kann der Puls nicht weiter verkürzt werden.

Wissenschaftler vom MIT setzten die ultrakurzen Pulse bei der Optischen Kohärenz-Tomographie ( OCT) ein. Die OCT arbeitet mit breitbandigen Lichtquellen und wird in der Medizin und besonders in der Augenheilkunde benutzt, um Strukturen unter der Oberfläche abzutasten. Kommerziell erhältliche OCT-Geräte haben eine Tiefenauflösung von 10 bis 15 Mikrometern.

Für die Tiefenauflösung ist die Kohärenzlänge des Lichtes entscheidend: je kürzer die Kohärenzlänge, desto besser ist die Auflösung. Unter der Kohärenzlänge versteht man die Entfernung entlang eines Lichtstrahles, über die die einzelnen Lichtwellen im Takt miteinander schwingen, also in Phase sind, wie der Fachmann sagt.

Da die Kohärenzlänge einer Lichtquelle umgekehrt proportional zu ihrer spektralen Breite ist, bietet sich der Einsatz von Femtosekundenpulsen an: denn je kürzer der Femtosekundenpuls, desto größer ist seine spektrale Bandbreite und umso kürzer ist seine Kohärenzlänge. Die Kohärenzlänge der Femtosekundenpulse beträgt einige Mikrometer und mit ihnen konnte die OCT-Auflösung auf unter drei Mikrometer reduziert werden.