Eine Lichtspirale fotografiert

Mit ihrer neuen Messtechnik “nanoTIPTOE” haben Physiker des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik und der Ludwig-Maximilians-Universität München in Zusammenarbeit mit der Stanford University erstmals auf kürzesten Zeit- und Längenskalen ein schraubenförmiges Lichtfeld erfasst.

Seit Ende des 19. Jahrhunderts weiß man, dass Licht als elektromagnetische Welle Schwingungen ausführt, deren Frequenz die Lichtfarbe festlegt. Mit rund einer Billiarde Oszillationen pro Sekunde schwingt Licht so schnell, dass es bis zum Anfang des 21. Jahrhunderts dauerte, bis Methoden gefunden waren, um es direkt zu messen. Seitdem kommt man immer mehr Geheimnissen des Lichts auf die Spur. Jetzt haben Physiker aus der Gruppe für Ultraschnelle Elektronik und Nanophotonik um Dr. Boris Bergues und Prof. Matthias Kling vom attoworld-Team an der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) eine neue Technik, die so genannte “nanoTIPTOE”-Technik, zur Messung des elektrischen Feldes von ultrakurzen Laserpulsen in Zeit und Raum vorgestellt. Dadurch werden „Fotografien“ von Lichtwellen mit bisher nicht erreichter räumlicher und zeitlicher Auflösung möglich.

Schwingungen von Licht sind unfassbar schnell. Unsere heutigen Technologien kommen mit ihren Frequenzbereichen nicht einmal annähernd an die Frequenzen von Licht heran. Zum Vergleich: Ein moderner Computer arbeitet im einstelligen Gigahertzbereich – rund eine Million Mal langsamer als Licht schwingt. Könnte man unsere Technologien mit Licht betreiben, wären sie also um ein Vielfaches schneller. Zuvor muss man allerdings genau wissen, wie man Licht kontrollieren und steuern kann. Dazu sind immer präzisere zeitliche Messungen in Kombination mit räumlicher Auflösung notwendig. Das stellt die Physik vor neue Herausforderungen, da die Messung in einem räumlichen Volumen unterhalb der Fokusgröße von Licht stattfinden muss.

Wenn man nämlich Licht auf einen Punkt fokussiert (ähnlich wie Sonnenlicht mit einem Brennglas), dann erzielt man eine Auflösung, die in etwa der Fokusbreite entspricht. 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.

Das Problem haben nun Physiker der Gruppe für Ultraschnelle Elektronik und Nanophotonik um Dr. Boris Bergues und Prof. Matthias Kling vom attoworld-Team 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, was vom Prinzip her einem Blitzableiter ähnelt, lässt sich die Messung räumlich auf das winzige 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 Lichtes 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 Physiker gleichzeitig die zeitliche Veränderung des Feldes in jedem Pixel messen.

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

Damit haben die Physiker einen neuen Ansatz zur Lichtwellenmessung vorgestellt, der “nanoTIPTOE” genannt wird. Als erste Anwendung demonstrierten Johannes Blöchl und Dr. Johannes Schötz aus der Gruppe für Ultraschnelle Elektronik und Nanophotonik, zusammen mit internationalen Partnern, dass das Feld eines optischen Vortex Strahls, einer speziell strukturierten Art von Laser Licht, 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 (eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde).

„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.

Thorsten Naeser

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Boris Bergues
Head of the Strong-Field Dynamics Group
Laboratory for Attosecond Physics
LMU Munich / Max Planck Institute of Quantum Optics
Hans-Kopfermann-Str. 1
D-85748 Garching
Tel.: (+ 49 89) 32905 – 330
E-Mail: boris.bergues@mpq.mpg.de
http://attosecondimaging.de/strong-field-dynamics/

Prof. Dr. Matthias Kling
Ultrafast Electronics and Nanophotonics Group
SLAC, Stanford University, 2575 Sand Hill Rd, CA 94025, USA
LMU Munich / Max Planck Institute of Quantum Optics
Hans-Kopfermann-Str. 1, 85748 Garching, Germany
Tel.: +1-650-926-2745
E-Mail: kling@stanford.edu
https://uen.stanford.edu

Originalpublikation:

Johannes Blöchl, Johannes Schötz, Ancyline Maliakkal, Nātalija Šreibere, Zilong Wang, Philipp Rosenberger, Peter Hommelhoff, Andre Staudte, Paul B. Corkum, Boris Bergues, and Matthias F. Kling
Spatiotemporal sampling of near-petahertz vortex fields
Optica 2022

http://www.mpq.mpg.de/