GARCHING, 14. Juli 2022 – Ein Team aus Physikern des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik und der Ludwig-Maximilians-Universität München hat in Zusammenarbeit mit Forschern der Stanford University ein Verfahren zur Messung des elektrischen Felds ultrakurzer Laserpulse entwickelt in Zeit und Raum. Die Messtechnik ermöglicht es den Forschern zufolge, Lichtwellen mit einer bisher unerreichten räumlichen und zeitlichen Auflösung zu „fotografieren“.

Die Entwicklung könnte wiederum zu einer verbesserten Qualität der ortsaufgelösten Spektroskopie führen sowie Anwendungen in der feldaufgelösten Mikroskopie vorantreiben.

Die Geschwindigkeit, mit der Licht schwingt – etwa eine Billiarde Schwingungen pro Sekunde – verhinderte bis zur Jahrhundertwende Methoden, die zeitliche Entwicklung des Lichtfelds direkt zu messen. Um sich zu der Fähigkeit zu entwickeln, Licht präzise zu lenken und zu steuern, müssen Wissenschaftler eine hochpräzise Zeitmessung in Kombination mit einer hohen räumlichen Auflösung erreichen. Tatsächlich muss eine Lichtmessung innerhalb eines Laserfokus stattfinden, dessen Volumen viel kleiner ist als die Größe des Fokus.

Dies stellt zusätzliche Herausforderungen dar: Wenn Licht auf einen Punkt fokussiert wird, liegt die Auflösung in der Größenordnung der Größe des Fokus. Da Licht gebeugt wird, ist die theoretisch erreichbare Auflösung auf etwa die Größe der Wellenlänge begrenzt, die bei einigen hundert Nanometern liegt. Diese Grenze ist in typischen Anwendungen schwer zu erreichen. Außerdem beträgt die Fokusgröße oft wenige Mikrometer.

Fokussiertes Licht allein kann nicht verwendet werden, um Effekte auf Skalen kleiner als die Fokusgröße zu untersuchen.

Die kooperierenden Forscher verwendeten eine winzige metallische „Nanospitze“, die nur wenige Nanometer groß, viel kleiner als der Fokus des Lichts und im Gegensatz zu herkömmlichen Elektroden ist, um eine Methode namens „NanoTIPTOE“ zu entwickeln. Die Feldverstärkung befindet sich am Spitzenende, das die Forscher als im Prinzip ähnlich einem Blitzableiter beschrieben. Die Leitfähigkeit des Spitzenmaterials wiederum ermöglichte den Einsatz modernster elektronischer Messverfahren, die den Ansatz einfach handhabbar und genau machten.

Eine nanoskalige Nadelspitze interagiert mit einem Femtosekunden-Laserpuls von wenigen Zyklen und einem nahen Petahertz-Wirbelfeld. Der Femtosekundenpuls induziert einen ultrakurzen Elektronenstrom, der aus der Spitze austritt. Das Wirbelfeld wird untersucht, indem die Änderung des von ihm induzierten Elektronenstroms gemessen wird. Die lokalisierte Feldverstärkung an der Nadelspitze erleichtert die räumliche Auflösung der spiralförmigen Wellenfront des Wirbelfelds im Laserfokus. Mit freundlicher Genehmigung von RMT.Bergues.

In der Konfiguration hat die Spitze das Feld an einem Punkt im Raum abgetastet. Um ein Gesamtbild des Lichtfeldes zu erhalten, wurde die Spitze durch den Fokus gescannt, so dass jede Spitzenposition einem Pixel im Bild entsprach. Gleichzeitig maßen die Wissenschaftler die zeitliche Entwicklung des Feldes in jedem Pixel.

Beim Auftreffen des Lichts auf die Nanospitze wurde ein kurzer Stromimpuls erzeugt. Der Impuls passierte die Spitze in wenigen hundert Attosekunden. Das Laserfeld, das mit der Technik charakterisiert werden soll, moduliert den induzierten Strom, der dann gemessen wird. Mit diesen Stromänderungen erreichten die Physiker in extrem kurzer Zeit die Zeitauflösung, die zur Beobachtung des Lichtfeldes erforderlich ist.

In Tests maßen die Forscher das Feld eines optischen Wirbelstrahls. Obwohl die Lichtfrequenz des Strahls um mehrere Größenordnungen höher ist als die, die herkömmliche Elektronik erfassen kann, ermöglichte die resultierende räumliche Auflösung den Wissenschaftlern, die räumliche und zeitliche Verteilung des optischen Wirbelfelds im Fokus des Laserstrahls zu rekonstruieren. Sie beobachteten auch die Feldamplituden der um die Ausbreitungsachse rotierenden Femtosekunden-Wirbelpulse.

„Die Feldverstärkung hat die Charakterisierung von Laserfeldern mittlerer Intensität ermöglicht – ein großer Fortschritt gegenüber Techniken, die Hochleistungslaserquellen erfordern“, sagte das Team in seiner Veröffentlichung. „Im Vergleich zu früheren Ansätzen zur elektronischen Felderfassung mit Nanospitzen, die oft auf den niedrigen Terahertz-Bereich beschränkt waren, erhöht nanoTiptoe die zeitliche Auflösung um fast drei Größenordnungen.“

Die Wissenschaftler sagten, dass ihre Methode vorspannungsempfindlich ist, was sie für die Vektorfeldrekonstruktion anwendbar macht.

Die Forschung wurde in veröffentlicht Optisch (www.doi.org/10.1364/OPTICA.459612).