Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) haben erstmals einen Ultraviolett-Laserlichtpuls von nur 1,9 Femtosekunden Dauer erzeugt und damit einen neuen Weltrekord für den kürzesten UV-Laserpuls aufgestellt. Die Experimente, die das Forscherteam in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Optics Letters veröffentlicht, stellen den bisherigen Rekord von 2,8 Femtosekunden, der 2010 aufgestellt wurde, in den Schatten.
Der 1,9-Femtosekunden-Blitz wurde durch Frequenz-Umwandlung aus Infrarotlicht in einer Gaszelle erzeugt (im Glasquader im Zentrum der Vakuumkammer). Foto: DESY/AG Calegari
Der 1,9-Femtosekunden-Puls (1 Femtosekunde ist der millionste Teil einer Milliardstel Sekunde) wurde im Labor von Prof. Francesca Calegari (Universität Hamburg, DESY) erzeugt, die Leiterin der Attosekunden-Forschungsgruppe am Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) ist und Mitglied im Exzellenzcluster CUI: Advanced Imaging of Matter. Die Wellenlängen des Pulses decken den biologisch höchst relevanten Spektralbereich zwischen 210 und 340 Nanometern (nm) ab, das entspricht den Bereichen der sogenannten UVB- und UVC-Strahlung. Die im Sonnenlicht enthaltene UVB-Strahlung dringt teilweise in unsere Atmosphäre ein und löst eine Reihe von biochemisch relevanten Prozessen aus, darunter die Schädigung der DNA, die u.a. zu Hautkrebs führen kann. Diese Prozesse basieren oft auf ultraschnellen Mechanismen, die extrem kurze Lichtpulse erfordern, um sie in Echtzeit untersuchen zu können.
Erzeugung ultrakurzer UV-Pulse ist große Herausforderung
Die Erzeugung ultrakurzer UV-Pulse ist eine große Herausforderung, da Licht in diesem Spektralbereich sowohl in der Luft als auch in den Materialien, die zur Erzeugung solch kurzer Pulse verwendet werden, sehr stark gestreut wird. Der von Francesca Calegari und ihrem Team verwendete Ansatz ist die Frequenz-Umwandlung von 5-Femtosekunden-Infrarotpulsen in einer lasergefertigten Hochdruck-Gaszelle im Vakuum. Auf diese Weise kann die sehr kurze Pulsdauer beibehalten werden.
„Das Unterschreiten der 2-Femtosekundenbarriere ist ein aufregender Schritt“, sagt Prof. Calegari. „Durch eine weitere Optimierung der Geometrie für die Lichtpulserzeugung könnten wir die Dauer sogar auf Attosekunden reduzieren (1 Attosekunde ist ein Milliardstel einer Milliardstelsekunde), eine Dauer, die typischerweise bei höheren Photonenenergien erreicht wird.“
Tieferes Verständnis über Schädigung von Biomolekülen
Die im Team von Calegari in Zusammenarbeit mit dem Institut für Photonik und Nanotechnologie (IFN-CNR, Mailand, Italien) und dem Politecnico di Milano (Mailand, Italien) durchgeführte Forschung wurde durch den ERC-Starting Grant STARLIGHT (STeering Attosecond electRon dynamics in biomolecules by UV/XUV LIGHT pulses) finanziert und eröffnet neue Perspektiven für die ultraschnelle Molekülspektroskopie als vielversprechende Methode, um ein tieferes Verständnis davon zu erlangen, was beispielsweise in den ersten Momenten von UV-induzierten photochemischen Reaktionen abläuft und zur Schädigung von Biomolekülen führen kann. Text: DESY, red.
Originalpublikation
Mara Galli, Vincent Wanie, Diogo Pereira Lopes, Erik P. Månsson, Andrea Trabattoni, Lorenzo Colaizzi, Krishna Saraswathula, Andrea Cartella, Fabio Frassetto, Luca Poletto, François Légaré, Salvatore Stagira, Mauro Nisoli, Rebeca Martínez Vázquez, Roberto Osellame, and Francesca Calegari
“Generation of deep ultraviolet sub-2-fs pulses”
Opt. Lett. 44(6), 1308-1311 (2019)
DOI: 10.1364/OL.44.001308
Webseite des EU-Projekts STARLIGHT
Weitere Information
Gemeinsam mit sechs Wissenschaftlerinnen veröffentlichte Prof. Francesca Calegari kürzlich ihre Einschätzung der Entwicklungen in der Attosekunden-Wissenschaft und an Freie Elektronen Röntgenlaser (XFELs). Der Artikel erschien als Viewpoint in Nature Reviews und steht für die Dauer von einem Jahr open access zur Verfügung.