Eine Million mal heller als die Sonne - weißes Licht als extrem kurzer Impuls

Wissenschaftler der Leibniz Universität Hannover, des Weierstraß-Instituts für Angewandte Analysis und Stochastik sowie des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie haben eine neue Methode für die Erzeugung optischer Weisslichtpulse im sichtbaren und nahinfraroten Spektralbereich entwickelt. Diese Pulse können zu extrem kurzer zeitlicher Dauer komprimiert werden, die nur noch eine einzige Oszillation der Lichtwelle ausmacht.

Die Erzeugung von weißem Licht aus spektral schmalbandiger Laserstrahlung ist einer der faszinierendsten Prozesse in der nichtlinearen Optik. Dieser Mechanismus hat vielfältige Verwendung in der Spektroskopie, in der Messtechnik und in bildgebenden medizinischen Verfahren gefunden. Bei vergleichsweise geringen Lichtleistungen bieten Lichtquellen, die auf optischen Fasern beruhen, exzellente räumliche Kohärenzeigenschaften und eine kleine Strahlungsfläche. Weißlicht-Strahlungsquellen können daher eine spektrale Strahlungsdichte erreichen, die sie millionenfach heller als die Sonne machen.

Die spektralen Kohärenzeigenschaften solcher Strahlungsquellen sind hingegen vergleichsweise bescheiden. Das bedeutet, dass man das Licht der Weißlichtquelle zwar gut auf eine sehr kleine Fläche fokussieren kann, dass aber gleichzeitig eine zeitliche Konzentration der Pulsenergie in ein kleines Zeitintervall unmöglich ist. In der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letters [PRL 110, 233901 (2013)] stellen Ayhan Demircan, Shalva Amiranashvili, Carsten Brée und Günter Steinmeyer eine neue Methode vor, um dieses grundsätzliche Problem von Laser-Weißlichtquellen zu umgehen. Dieser Vorschlag sieht vor, zwei Lichtimpulse bei verschiedenen Wellenlängen für die Weißlichterzeugung in einer optischen Faser zu verwenden. Hierzu muss man die Wellenlängen der Pulse so wählen, dass sie mit nahezu gleicher Geschwindigkeit in der Faser propagieren. Ähnlich einem Surfer, der eine Welle abpasst, können die beiden Pulse dann eine langlebige Bindung eingehen, die zu einer intensiven nichtlinearen Wechselwirkung führt. Diese Wechselwirkung füllt die spektrale Lücke zwischen beiden Pulsen schnell mit kohärent erzeugten neuen Spektralkomponenten aus.

Abb. 1 Numerische Simulationen der Zweifarben-Anregung der faserbasierten Weißlichterzeugung. Ein Solitonenimpuls wird mit geringer zeitlicher Verzögerung zusammen mit einem Puls im normalen Dispersionsbereich in eine Glasfaser eingekoppelt. Hierbei kann das Soliton sein zeitliches Profil erhalten, bis es auf die sich langsam zeitlich verbreiternde dispersive Welle trifft. Sobald beide Impulse sich begegnen, sind sie zeitlich aneinander gekoppelt und wechselwirken sodann heftig miteinander. Lediglich ein winziger Teil der dispersiven Welle kann die Barriere durchqueren, die durch das Soliton aufgebaut wird.

Simulationsrechnungen zeigen auf, dass das so erzeugte Superkontinuum direkt ohne weitere Kompressionsmassnahmen die Erzeugung von Pulsen mit zwei optischen Zyklen Dauer ermöglicht. Durch die Verwendung einer geeigneten Dispersionskompensation sollte sogar die Erzeugung eines Ein-Zyklen-Pulses möglich sein. Im Gegensatz zur Einfarben-Erzeugung von Weißlicht-Superkontinua zeigen die Spektren der neuen Quelle einen relativ glatten Intensitätsverlauf, was sie besonders interessant für neue Anwendungen in bildgebenden medizinischen Verfahren macht. Insgesamt ergeben sich somit vielfältige vormals unmögliche Anwendungen dieser faszinierenden neuen hellen Weißlichtquelle.

Originalpublikation

Compressible octave spanning supercontinuum generation by two-pulse collisions

A. Demircan, Sh. Amiranashvili, C. Brée, G. Steinmeyer

Physical Review Letters 110 (2013) 233901/1-5

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