Wissenschaftler des Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) bei DESY in Hamburg 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-Puls (1 Femtosekunde ist der millionste Teil einer Milliardstel Sekunde) wurde im Labor von Prof. Francesca Calegari erzeugt, die Leitende Wissenschaftlerin bei DESY und Leiterin der Attosekunden-Forschungsgruppe am Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) ist, einer Kooperation von DESY, Universität Hamburg und Max-Planck-Gesellschaft. 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.

Die Erzeugung ultrakurzer UV-Pulse ist eine große Schwierigkeit, da Licht in diesem Spektralbereich stark gestreut wird, sowohl in Luft als auch Materialien, die zur Erzeugung solch kurzer Pulse verwendet werden. 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.“

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.

 

Original Publikation
“Generation of deep ultraviolet sub-2-fs pulses”, 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, Opt. Lett. 44(6), 1308-1311 (2019), DOI: 10.1364/OL.44.001308

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