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Ultrakurzzeitoptik ist der Bereich der Optik, der sich sich mit Lichtimpulsen beschäftigt, deren Impulsdauer im Femtosekundenbereich liegt (10^-15 s…. 10^-12 s; zur Veranschaulichung: für die Strecke von der Erde zum Mond benötigt das Licht etwa 1 s, für eine Distanz, welche gleich der Dicke eines menschlichen Haares entspricht, benötigt das Licht etwa 200 fs (Femtosekunden)). Im Vordergrund stehen die Erzeugung, die Manipulation (Pulsformung, Verstärkung etc.) und die Anwendung der Pulse. Dabei spielen ganz neue Phänomene eine Rolle, welche bei langen Pulsen nicht sichtbar sind. Für den Anwender ultrakurzer Pulse ergeben sich daher ganz neue Möglichkeiten, wie z.B. die Untersuchungen elementarer dynamischer Prozesse in Materie auf ultrakurzer Zeitskala (z.B. die Verfolgung der Bewegung von Elektronen in Atomen, Mokekülen, Festkörpern und Plasmen und damit auch die Beobachtung des Ablaufs chemischer Reaktionen in Echtzeit). Für die Technik liegt die Bedeutung z.B. in der Erzeugung von sehr kleinen und „sauberen“ zwei- und dreidimensionalen Mikrostrukturen ( Lasermikrotechnik).
Darüber hinaus ist aufgrund der sehr kurzen Dauer der Lichtimpulse deren Leistung sehr hoch. Dies eröffnet die Möglichkeit extrem intensive Lichtpulse zu erzeugen (extrem hohe elektrischen Feldstärken) und damit Materie unter extremen Bedingungen zu utersuchen (Wechselwirkung intensiver Laserpulse mit Materie).

Emder Gigawatt - Laser EGIL

In den meisten Fällen werden dabei Femtosekundenlaserpulse mit Wellenlängen im Bereich vom infraroten bis in das UV-Gebiet in verschiedenen Teilgebieten der Physik, Chemie und Technik eingesetzt. Dabei ist es sowohl wichtig die gewünschten Laserpulse zu erzeugen und zu optimieren, als auch genau zu charakterisieren. Dies ist ein Arbeitsgebiet der Arbeitsgruppe. Im speziellen beschäftigt sich die Gruppe mit der Verstärkung von Femtosekundenpulsen und der Optimierung der Verstärker, sowie der Untersuchung der zeitlichen und spektralen Eigenschaften der Femtosekundenlaserpulse. Da die direkte Messung der Pulsdauer - hier werden oftmals Schmierbildkameras eingesetzt - z.Z. etwa auf 0,5 ps begrenzt ist, werden neue Methoden entwickelt und entsprechende Untersuchungen zur Bestimmung von Amplitude und Phase des elektrischen Feldes von ultrakurzen Laserpulsen durchgeführt. Als Beispiel sei ein ultraschneller Schalter genannt, der zur zeitlichen Charakterisierung von fs-Laserpulsen verwendet werden kann.

Gepulste Schalter haben eine lange Geschichte und es wurden große Anstrengungen unternommen, um die Schaltzeiten immer weiter zu verkleinern. Mit der Einführung von Femtosekundenlaserpulsen wurden große Fortschritte im Bereich ultraschneller optischer-Schalter gemacht und eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten eröffnet. Als Beispiel seien hier zeitaufgelöste Bildaufnahmeverfahren mit optischen-Schaltern genannt. Ein Beispiel für einen weit verbreiteten optischen Schalter ist der Kerr-Schalter. Die Antwortzeit des optischen Kerr-Effekts folgt hierbei dem zeitlichen Verlauf des Pumppulses, wodurch die Schaltzeit begrenzt wird. Für die meisten Anwendungen wäre es jedoch vorteilhaft einen Schalter zu verwenden, der sehr viel schneller als der Pumppuls selbst ist. Ein solcher weit schnellerer Schalter wurde auf Basis von ultraschneller Ionisation realisiert. Bei dieser Methode ändern sich sich die optischen Eigenschaften des Schalters extrem schnell. So konnte mittels eines 60 fs Pulses ein Schalter mit einer Schaltzeit deutlich unterhalb von 10 fs realsiert werden. Schalter dieser Art können können sehr gut zur Vermessung von Femtosekundenpulsen verwendet werden (Ionisation Gate for Electric Field Construction, IGEL). Diese Methode erlaubt die direkte Bestimmung der Phase und Amplitude des elektrischen Feldes des Pulses. Der Vorteil liegt nicht nur in der extrem kurzen Schaltzeit (etwa ein Zehntel der Dauer des eingesetzten Laserpulses), sondern auch bei dem hohen Kontrast der Methode (dieser erlaubt z.B. auch den Nachweis eines schwachen Vorpulses) und darin, daß kein iterativer Algorithmus angewendet werden muß, wie es bei einigen anderen Verfahren notwendig ist. Darüber hinaus kann die Methode in den Bereich sehr kurzer Wellenlängen erweitert werden (extremes Ultraviolett).

Prinzip eines ultraschnellen optischen Schalters: ein ultrakurzer Puls wird in zwei Teilpulse aufgespalten, einen Pumppuls, welcher den optischen Schalter steuert und den zu vermessenden Lichtpuls (Testpuls). Der zeitliche Abstand Δt zwischen beiden Pulsen ist exakt einstellbar und somit der Schaltzeitpunkt gezielt variierbar. Hinter dem optischen Schalter wird das Signal des Testpulses als Funktion von Δt gemessen, ggf. sogar zusätzlich spektral aufgelöst. Aus diesem Faltungssignal läßt sich z.B. die Pulsdauer und der Chirp des Testpulses bestimmen.

Spektrogramm eines 60 fs-Laserpulses