Lichtimpulse
Ultrakurz und ultraintensiv

Ein Milliardstel einer millionstel Sekunde. Das ist die Dauer eines ultrakurzen, ultraintensiven Lichtimpulses. Das Max-Born-Institut in Berlin-Adlershof beschäftigt sich mit der Erzeugung dieser Impulse, die in der Technik zunehmend angewandt werden.

BERLIN. Die Eigenschaften und die Nutzung von Licht beschäftigen den Menschen seit jeher. Das menschliche Auge kann Licht mit Wellenlängen zwischen ungefähr 400 Nanometern (nm) im Blauen und 700 nm im Tiefroten (1nm = 1 milliardstel Meter) sehen. Dieser sichtbare Bereich ist aber nur ein winziger Ausschnitt aus dem Spektrum elektromagnetischer Wellen, das von Radiowellen im Kilometerbereich bis zu Gammastrahlung auf der Skala von Pikometern reicht (1 pm = 1 Tausendstel eines milliardstel Meters). Elektromagnetische Wellen sind ein wichtiges Werkzeug der Wissenschaft und bilden die Grundlage für Schlüsseltechnologien wie Rundfunk, Radar und drahtlose Kommunikation. Ob medizinische Diagnostik, Handy oder Mikrowellenherd, elektromagnetische Wellen durchdringen unser tägliches Leben.

Die Erfindung des Lasers 1960 läutete eine Revolution in der Erzeugung von Licht ein. Laser gestatten die Herstellung von Licht mit maßgeschneiderten und für bestimmte Anwendungen optimierten Eigenschaften. Nicht nur die Wellenlänge, sondern auch die Intensität und die zeitliche Struktur lassen sich in weiten Grenzen verändern. Unser Max-Born-Institut in Berlin-Adlershof, ein Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft, beschäftigt sich mit der Erzeugung ultrakurzer und ultraintensiver Lichtimpulse und untersucht ihre Wechselwirkung mit Materie. Ultrakurze Lichtimpulse sind in Lasern erzeugte Lichtblitze von wenigen Femtosekunden Dauer (1 Femtosekunde (fs) = 1 Milliardstel einer millionstel Sekunde). Einen Lichtimpuls von 30 fs Dauer kann man sich als Lichtscheibe vorstellen, die ungefähr einen hundertstel Millimeter dick ist und mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum rast. In einem derart kurzen Impuls lässt sich eine Leistung von mehreren Millionen Megawatt konzentrieren. Zum Vergleich: Ein großes Kernkraftwerk leistet ungefähr 1 000 Megawatt, allerdings kontinuierlich und nicht nur für 30 fs. Ultrakurze Lichtimpulse sind vom Terahertz- bis in den harten Röntgenbereich verfügbar.

Die Untersuchung extrem schneller Prozesse in Atomen, Molekülen und Festkörpern ist ein zentrales Anwendungsfeld ultrakurzer Lichtimpulse. Der zu untersuchende Prozess wird durch einen ersten ultrakurzen Lichtimpuls ausgelöst und der momentane Wert einer optischen Messgröße, z.B. der Absorption, Reflexion oder Emission, mit einem zweiten zeitverzögerten Lichtimpuls gemessen. Wiederholt man die Messung für verschiedene ultrakurze Verzögerungszeiten nach der Anregung, ergibt sich aus der Abfolge dieser Schnappschüsse der Ablauf des Vorgangs in Echtzeit, ähnlich der sehr viel langsameren Sequenz von Einzelbildern in einem Kinofilm. Auf diese Weise sind viele elementare Abläufe und die sie steuernden Mechanismen aufgeklärt worden, etwa Elektronenbewegungen in Festkörpern, fluktuierende molekulare Bewegungen in Flüssigkeiten, die Abläufe chemischer Reaktionen oder die Primärprozesse der biologischen Photosynthese, bei denen eine ultraschnelle Abfolge von Ladungsverschiebungen die Wandlung der Lichtenergie in chemische Energie einleitet. Mit maßgeschneiderten ultrakurzen Lichtimpulsen können Prozesse in ihrem Ablauf gezielt gesteuert werden, wodurch beispielsweise eine chemische Reaktion optimiert werden kann.

Chemische Reaktionen und viele andere Prozesse sind mit Strukturänderungen verknüpft, d.h. im Ablauf entsteht eine neue Anordnung der Atome oder Moleküle. Die Entstehung von Strukturen in Echtzeit zu verfolgen, um ihre Funktionsweise zu verstehen, ist eine neue Forschungsrichtung, für die ultrakurze Röntgenimpulse eine zentrale Rolle spielen. Röntgenstrahlen werden seit langem zur Abbildung von Strukturen im zeitlichen Mittel eingesetzt - das geschieht in der medizinischen Diagnostik ebenso wie bei der Materialprüfung oder der Analyse molekularer Strukturen.

Seite 1:

Ultrakurz und ultraintensiv

Seite 2:

Serviceangebote
Zur Startseite
-0%1%2%3%4%5%6%7%8%9%10%11%12%13%14%15%16%17%18%19%20%21%22%23%24%25%26%27%28%29%30%31%32%33%34%35%36%37%38%39%40%41%42%43%44%45%46%47%48%49%50%51%52%53%54%55%56%57%58%59%60%61%62%63%64%65%66%67%68%69%70%71%72%73%74%75%76%77%78%79%80%81%82%83%84%85%86%87%88%89%90%91%92%93%94%95%96%97%98%99%100%