ultrakortpulslaser

En ultrakortpulslaser betegner en pulseret laser med en pulslængde i femtosekund- eller picosekund-området.

Disse korte pulslængder opnås ved at benytte en teknik, der betegnes modelåsning. En ultrakortpulslaser kræver et forstærkningsmedium, der gør laseren i stand til at udsende lys over et bredt frekvensområde (dvs. udsende flere farver) på samme tid. Jo større frekvensbredde laseren understøtter, jo mindre pulslængder kan opnås. Dette princip kan enten benævnes Fourierbegrænsningen (jf. Fourieranalyse) eller ses som et resultat af Heisenbergs ubestemthedsrelation mellem tid og fotonenergien.

Forstærkning af ultrakorte laserpulser kræver særlige forholdsregler, hvis man skal undgå, at intensiteten bliver så høj, at laserlyset ændrer egenskaber og i sidste ende så høj, at forstærkningsmediet bliver beskadiget. I de første ultrakortpulslasere så man sig nødsaget til at ekspandere strålediameteren for at nedsætte intensiteten, hvilket resulterede i meget store, komplekse og dyre lasersystemer.

Det var således et kæmpe spring fremad, da den franske fysiker Gérard Mourou og canadieren Donna Strickland foreslog en banebrydende alternativ løsning: De indså, at man også kan reducere intensiteten ved at strække pulserne i tid, inden de forstærkes. For denne idé modtog de to (en del af) Nobelprisen i fysik i 2018. Metoden udnytter, at den ultrakorte laserpuls indeholder mange frekvenskomponenter, som udsættes for lidt forskellig forsinkelse eks. ved hjælp af et optisk gitter. Herefter er pulsen længere og har den egenskab, at frekvensen ændrer sig i løbet af pulsen. Dette fænomen kendes fra et fuglefløjt, hvor tonen ændrer sig, når fuglen kvidrer. Metoden har fået navn efter det engelske udtryk for 'kvidder, kvidren', chirp, og betegnes chirped pulse amplification.

Ultrakortpulslasere har åbnet for eksperimenter, der skubber grænser på to forskellige måder. For det første giver de adgang til en hidtil uset høj tidsopløsning; for det andet giver en kort pulslængde mulighed for en meget høj spidseffekt, idet lysenergien samles inden for et kort tidsrum. Når en laser med høj spidseffekt fokuseres med en linse, opnås så høje intensiteter, at alle materialer kan anslås. Hvis man omregner denne høje intensitet til det elektriske felt, lyset består af, viser det sig, at det elektriske felt i laserpulsen overstiger det elektriske felt, der holder elektronerne fast omkring kernen i atomer. Dette giver anledning til såkaldt stærkfeltsionisering.

Udviklingen af ultrakortpulslasere har været afgørende for den tilgængelige tidsopløsning i en lang række fysikeksperimenter. De første picosekundlasere gav adgang til studier af eksempelvis bølgepakker i Rydbergatomer. Efterhånden som pulslængderne nåede ned i femtosekundområdet har det ikke mindst været muligheden for at studere dynamikken af kemiske reaktioner, der har givet en masse ny viden. I 1999 modtog Ahmed H. Zewail (Ægypten/USA) Nobelprisen i kemi for sine bidrag til feltet femtosekundkemi.

Eksperimenter, der adresserer ultrahurtig dynamik i faste stoffer, har givet en ny indsigt i grundlæggende processer som ultrahurtige faseovergange og muliggjort studier af materialer langt fra deres ligevægtssituation. Den høje intensitet, der er muliggjort af ultrakortpulslasere muliggør også frembringelsen og studiet af plasmaer med høj tæthed. Dette er baggrunden for udviklingen af laserfusion.

I de seneste år er den eksperimentelle tidsopløsning nået ned i attosekundområdet ved åbning af forskningsfeltet attosekundvidenskab, der udløste nobelprisen i fysik til Pierre Agostini (Frankrig), Ferenc Krausz (Ungarn) og Anne l'Huillier (Frankrig).

Det faktum, at en femtosekundlaser indeholder mange forskellige frekvenskomponenter med en veldefineret afstand, har vist sig at kunne anvendes i en helt anden sammenhæng, nemlig i optiske præcisionsmålinger. Den banebrydende opdagelse var, at hvis man udnytter en særlig feedback teknik til at kontrollere laseren, udsender denne lys ved helt veldefinerede frekvenser, der alle er et helt tal gange laserens grundlæggende frekvens. En laser med disse egenskaber benævnes en frekvenskam og udløste i 2005 Nobelprisen i fysik til Theodor Hänsch (Tyskland), John Hall (USA) og Roy J. Glauber (USA).