Neuer Ansatz für die räumlich und zeitlich aufgelöste Messung von Lichtwellen

Ein moderner Computer arbeitet im einstelligen Gigahertz­bereich und ist damit etwa eine Million Mal langsamer als Licht schwingt. Könnte man Computer-Technologien mit Licht betreiben, wäre sie also um ein Vielfaches schneller. Zuvor muss man allerdings genau wissen, wie man Licht kontrol­lieren und steuern kann. Dazu sind präzise zeitliche Messungen in Kombination mit räumlicher Auflösung notwendig. Das stellt die Physik vor große Heraus­forderungen, da die Messung in einem räumlichen Volumen unterhalb der Fokusgröße von Licht statt­finden muss. Ein neues Verfahren zur Messung des elektrischen Feldes von ultra­kurzen Laser­pulsen in Zeit und Raum hat jetzt ein inter­nationales Forscherteam vorgestellt. Dadurch werden Bilder von Lichtwellen mit zuvor nicht erreichter räumlicher und zeitlicher Auflösung möglich.

Da Licht gebeugt wird, ist die theoretische minimale Auflösung auf die Größen­ordnung der Wellen­länge, das heißt auf einige hundert Nanometer beschränkt. In typischen Anwendungen ist dieses Limit jedoch schwer zu erreichen, hier liegt die Fokusgröße oft im Bereich einiger Mikrometer. Effekte auf Skalen, die kleiner sind als der Fokus, kann man mit fokus­siertem Licht allein also nicht untersuchen. Dieses Problem hat das Team jetzt elegant umschifft. Für ihre Messungen verwendeten sie eine winzige metal­lische Nanospitze, die viel kleiner war als der Fokus des Lichts.

Das bringt Vorteile: Durch die Feldüber­höhung am Ende der Spitze lässt sich die Messung räumlich auf das Ende der Spitze beschränken. Die Leitfähigkeit des Spitzen­materials ermöglicht zudem den Einsatz modernster elektro­nischer Messmethoden, die die Technik einfach handhabbar und zugleich präzise machen. Die Spitze selbst ist nur wenige Nanometer groß. Sie dient als Taster und wird an jenem Punkt im Raum aufgestellt, den man beobachten möchte. Um ein Gesamtbild des Lichts zu erhalten, muss man die Spitze an verschiedene Punkte setzen und die Bilder zusammen­fügen. Jede Spitzen­position entspricht also einem Pixel des Bildes. Zudem können die Forscher gleichzeitig die zeitliche Veränderung des Feldes in jedem Pixel messen.

Trifft Licht auf die Spitze, wird ein kurzer Strompuls erzeugt. Dieser durchströmt die Spitze in einigen hundert Attosekunden. Der induzierte Strom wird dann mit einem zweiten Laser moduliert und charak­te­risiert. Mit diesen Strom­änderungen innerhalb des extrem kurzen Zeit­inter­valls erreichen die Wissen­schaftler die notwendige zeitliche Auflösung zur Beobachtung des Lichtfeldes.

Mit dieser „nanoTIPTOE“ getauften Methode hat das Team einen neuen Ansatz zur Licht­wellen­messung vorgestellt. Als erste Anwendung demonstrierten die Forscher, dass das Feld eines optischen Vortex­strahls, einer speziell strukturierten Art von Laserlicht, gemessen werden kann. Dieser Strahl erinnert an eine Spirale aus Licht. Die Licht­frequenz des Strahls ist dabei um viele Größen­ordnungen höher als konven­tio­nelle Elektronik sie erfassen kann.

Durch die räumliche Auflösung war es möglich, die örtliche und zeitliche Feldverteilung des optischen Vortex im Fokus des Lasers zu rekonstruieren und die um die Propaga­tions­achse rotierenden Feld­ampli­tuden der Femto­sekunden­pulse zu beobachten. „Mit unserer neuen, auf Strom­messungen beruhenden Methodik, können wir eine neue Qualität in der räumlich aufgelösten Spektro­skopie erreichen und treiben so auch Anwendungen in der feld­auf­ge­lösten Raster­mikro­skopie voran“, erklärt Johannes Blöchl vom MPI für Quanten­optik.

MPQ / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J. Blöchl et al.: Spatiotemporal sampling of near-petahertz vortex fields, Optica 9, 755 (2022); DOI: 10.1364/OPTICA.459612
• Strong-Field Dynamics Group, Laboratory for Attosecond Physics, Max-Planck-Institut für Quantenoptik & Ludwig-Maximilians-Universität München
• Ultrafast Electronics and Nanophotonics Group, Stanford University, USA