Gebundene Lichtpakete in Echtzeit gefilmt

Schwingende Moleküle aus ultrakurzen Laserpulsen

Zwei Lichtstrahlen kreuzen sich typischerweise ohne großen Effekt. Klirrend aneinanderschlagende Laserschwerter gibt es also nur im Kino.

Grafische Darstellung eines oszillierenden Laser-Pulspaares (gelb), im Hintergrund Messdaten aus dem Experiment. ( Bild: Philipp Kloth, Universität Göttingen)

Im Inneren eines Lasers allerdings können sich intensive Lichtpulse durchaus gegenseitig anziehen oder abstoßen. Einem Forscherteam der Universität Göttingen und der University of California in Los Angeles ist es nun gelungen, das schnelle „Duell“ zweier Pulse in Echtzeit zu verfolgen. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Science erschienen.

Spezielle Lichtpulse, sogenannte Solitonen, können sich gegenseitig anziehen und sogar feste Bindungen eingehen. Solche Zustände, erstmals vor 30 Jahren vom Physiker Fedor Mitschke nachgewiesen, sind in mancher Hinsicht ähnlich zu chemischen Bindungen von Atomen. Sie werden daher auch „Solitonen-Moleküle“ genannt: Entweder verbinden sich einzelne Lichtpulse starr oder sie schwingen angeregt gegeneinander.

Auch in Ultrakurzpulslasern können gekoppelte Lichtpakete hin- und herlaufen, die einen zeitlichen Abstand von weniger als einer Billionstel Sekunde haben. Das Forscherteam unter Leitung von Prof. Dr. Claus Ropers vom IV. Physikalischen Institut der Universität Göttingen hat die Dynamik dieser Pulspaare nun mit einer speziellen Messmethode sichtbar gemacht. „Schickt man die ultrakurzen Pulse durch eine kilometerlange Glasfaser, werden sie zeitlich um ein Vielfaches gestreckt“, so Ropers. „Dabei entsteht ein Interferenzmuster, das den extrem kurzen Pulsabstand messbar macht.“

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„In Sekundenbruchteilen erfassen wir Millionen optische Spektren“, erklärt der Erstautor der Studie, Dr. Georg Herink. „Wir filmen dabei erstmals in Echtzeit die Bildung eines Solitonen-Moleküls und seine schnellen Schwingungen sowie Drehungen der Lichtphase.“ Die Dynamik resultiert aus dem empfindlichen Zusammenspiel einer Vielzahl linearer und nichtlinearer Effekte im Laserkristall.

„Neben dem Gewinn für die Laserphysik sind die Ergebnisse übertragbar auf verschiedene andere komplexe Systeme, in denen es ebenfalls wechselwirkende Solitonen gibt“, ergänzt Ko-Autor Felix Kurtz. Die Forscher sind zudem davon überzeugt, dass sich die Technologie der Echtzeit-Interferometrie zukünftig noch in vielen weiteren Bereichen der Optik und Photonik etablieren wird.

Originalveröffentlichung:
Georg Herink et al. „Real-time spectral interferometry probes the internal dynamics of femtosecond soliton molecules”. Science 2017, Vol. 356, Issue 6333, S. 50-54, DOI: 10.1126/science.aal5326, http://science.sciencemag.org/content/356/6333/50/tab-pdf.

Kontakt:
Prof. Dr. Claus Ropers und Dr. Georg Herink
Georg-August-Universität Göttingen
Fakultät für Physik – IV. Physikalisches Institut
E-Mail: claus.ropers@uni-goettingen.de und gherink@gwdg.de
Internet: www.uni-goettingen.de/de/91116.html

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