Forschung

Laserpulsformung und Kohärente Kontrolle

Die Hauptforschungsrichtung ist auf die optimale Formung von Laserpulsen zur Kontrolle elementarer Prozesse wie Ionisation, Fragmentation und Photoassoziation ausgerichtet. Neuerdings beinhalten die Forschungsaktivitäten auch Untersuchungen an und mit optischen Fasern und multiphotonische Anregungen von Biomarkern.

Die optimale Kontrolle molekularer Prozesse mittels geformter Laserpulse hat in den letzten Jahren ein verstärktes Interesse gefunden. Dabei wurden selbstlernende evolutionäre Optimierungsstrategien in Rückkopplungsschleifen eingesetzt, um die ultrakurzen Laserpulse so zu formen, dass die molekularen Prozesse optimal auf ein gewünschtes Ziel hin gesteuert werden konnten (siehe Abb. 1). Ein wichtiger in unserer Gruppe untersuchter Aspekt ist hierbei die in der optimierten Pulsform enthaltene Information, welche Einsicht in die zugrunde liegenden Prozesse liefert [1]. Kleine Alkali-Systeme sind hierfür besonders gut geeignet, da sie eine hohe Anzahl von gebundenen Zuständen aufweisen, welche resonante Übergänge mit schwachen elektromagnetischen Feldern erlauben und somit eine theoretische Beschreibung der photoinduzierten Vorgänge ermöglichen [2].   

 


Abb. 1: Schematischer Aufbau eines Optimierungsexperimentes in der Gasphase. Die geformten Pulse werden auf die Moleküle gerichtet und die erzeugten Ionen massenspektrometrisch nachgewiesen. Durch computergestützte Pulsmodulatorkontrolle wird die Rückkopplungsschleife geschlossen, wobei evolutionäre Algorithmen eingesetzt werden.

Dieses Verfahren wurde zunächst in Optimierungen geformter Laserpulse hinsichtlich der REMPI-Ionenausbeute von im Clusterstrahl vorliegenden Alkalidimeren und -trimeren demonstriert. Dabei konnten der optimale Ionisationspfad über resonante elektronische Zustände und die Eigenschaften der Moleküle selbst aus der generierten Pulsform erhalten werden. Nachfolgend wurden Isotopomer-selektive Optimierungen durchgeführt, um die Effizienz der Optimierungsmethode für die geringen Unterschiede zwischen den unterschiedlichen Isotopomerenspezies zu untersuchen. Dabei wurden überraschend hohe Optimierungsfaktoren von bis zu 140 zwischen Minimierung und Maximierung des Isotopomerenverhältnisses gefunden. Aus den erhaltenen Pulsformen konnten Informationen über die Dynamik auf den involvierten Schwingungsniveaus extrahiert werden. Demnach adressiert der spektral geformte optimierte Puls die Schwingungsniveaus zeitlich in der Weise, dass eine isotopenspezifische Wellenpaketdynamik induziert wird [1]. Dies kann man als eine neuartige spektroskopische Methode der Verwendung von ausgeprägten Frequenzmustern auf der Femtosekunden-Zeitskala ansehen. Die Experimente wurden mit quantenmechanischen optimalen Kontrollrechnungen verglichen, um detailliertere Informationen über die zugrunde liegenden Prozesse zu erhalten [2]. 

 Ein Hauptaspekt unserer Forschungstätigkeit in den letzten Jahren war die Entwicklung neuartiger Pulsformungs- und Optimierungsmethoden, um die relevantesten Prozessinformationen zu extrahieren. Ein Ansatz bestand in der Implemementierung genetischen Drucks innerhalb des Optimierungsalgorithmus, um sogenanntes “pulse cleaning“ durchzuführen, wobei überflüssige Pulsstrukturen unterdrückt wurden, um die wichtigsten Pulseigenschaften sichtbar zu machen. Dies führte auch zu der erstmaligen Anwendung von Mehrziel-Optimierungen in kohärenten Kontrollexperimenten, welche als Ergebnis eine Pareto-optimale Front zeigen [3]. Eine andere Methode besteht in der parametrischen Optimierung, bei der physikalisch relevante Pulsparameter wie Unterpulsabstände, Chirps usw. moduliert werden, um den Suchraum einzuschränken und die Interpretation der Ergebnisse zu erleichtern. Zudem wurden neue Pulsformeraufbauten für eine simultane Modulation der Phase, Amplitude und Polarisation des Laserpulses entwickelt und auf Alkalidimere angewandt, welches auch mit parametrischer Enkodierung realisiert werden konnte. Die Resultate demonstrieren die Perspektive der Einbindung der Polarisation als weitere Dimension der Pulsformung [4], womit also alle überhaupt möglichen Parameter des Lichtfeldes moduliert werden können.  

 In Zusammenarbeit mit Herrn Prof. Weidemüller und Herrn Prof. Wester wurde das Konzept der kohärenten Kontrolle auf ultrakalte Ensembles in einer magneto-optischen Falle (MOT) angewandt. Dies war motiviert durch das Ziel, mit geformten Laserpulsen Photoassoziation und Photostabilisierung von Alkalisystemen zu erreichen. Erste Resultate zur optimierten mehrphotonischen Anregung in molekulare Ionen und zu Oszillationen des Ionensignals in Pump-Probe-Experimenten wurden erhalten [5]. Die Ergebnisse, welche durch sogenannte kohärente Transienten verstanden werden können, liefern Hinweise auf Photoassoziationsprozesse und eröffnen die Perspektive für Pump-Dump-Übergänge in niedrige Schwingungsniveaus des elektronischen Grundzustandes. Dies wäre ein erster Schritt hin zu einem intern kalten molekularen Bose-Einstein-Kondensat. 

 Ein weiteres Ziel besteht darin, Experimente zur Kohärenten Kontrolle auch auf größere biologisch relevante Systeme (Peptide, Metall-Peptid-Systeme) auszudehnen. Um diese fragilen Moleküle unbeschadet in die Gasphase zu bekommen, wird die Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization (MALDI) Methode verwendet, wobei ein Laserpuls die in einer Matrix eingebetteten Moleküle sanft in die Gasphase überführt und ionisiert. Es stellte sich dabei überaschenderweise heraus, dass dieser Prozess auch mit ultrakurzen Laserpulsen im nahen Infrarotbereich möglich ist. Dieses erleichtert zudem die Formung von Laserpulsen zur optimierten Auslösung, Ionisierung oder Fragmentierung der zu untersuchenden biologisch relevanten Moleküle und lässt somit neue Resultate zur Kontrolle dieser Prozesse erwarten.

Nachfolgend sind die aktuell behandelten Forschungsthemen aufgeführt.


Kohärente Kontrolle an dotierten, suprafluiden Heliumtröpfchen

Heliumtröpfchen erweisen sich als außergewöhnliche Matrix, denn sie erlauben eine freie Rotation der eingelagerten Moleküle, sie beeinflussen die Moleküleigenschaften nur minimal und sorgen für eine effiziente Kühlung der internen Freiheitsgrade. Aus der Spektroskopie der eingelagerten Moleküle können Informationen über die Molekülstruktur, über die Wechselwirkung mit der umgebenden Helium-Matrix und über die Eigenschaften der suprafluiden Matrix selbst gewonnen werden [6]. 

Abb. 2: Schematischer apparativer Aufbau zur Kohärenten Kontrolle an dotierten superfluiden Heliumtröpfchen.

Das Ziel des DACH-Forschungsprojektes in Kooperation mit Herrn Prof. Scheier besteht darin, die Themen Kohärente Kontrolle und Forschung an Heliumtröpfchen zu verbinden, indem optimal geformte Laserpulse auf dotierte Heliumtröpfchen angewendet werden (siehe Abb. 2). Dies eröffnet neue Perspektiven, denn es erlaubt, die photoinduzierte Dynamik von van-der-Waals-Systemen in einer finiten superflüssigen Heliumumgebung zu steuern. Der Einfluss der Matrix auf die molekulare Dynamik wird dabei insbesondere bezüglich superflüssiger Eigenschaften, Blasendynamik, Käfig-Effekten, Relaxationsprozessen und Dekoherenz untersucht. Insbesondere die Photoassoziation binärer Reaktionen startend von van-der-Waals-Komplexen soll durchgeführt werden. Polarisationsgeformte Laserpulse werden dabei eingesetzt, um das System optimal auf einen kovalent gebundenen Zielzustand hin zu steuern. Diese Dynamik wird für die Bildung von Helium-Alkali-Exciplexen mit mehreren Heliumatomen, für die Konversion von Highspin-Zuständen von Alkalidimeren und -trimeren zu Lowspin-Zuständen und für den Transfer von komplexeren van-der-Waals-Systemen zu kovalent gebundenen Spezies untersucht. Zudem soll von Aminosäure-Komplexen ausgehend eine möglicherweise entstehende Peptidbindung induziert werden.

 

Polarisations-Pulsformung nach Fasern zur multiphotonischen Anregung

In letzter Zeit haben wir uns mit der Forschung an optischen Fasern befasst, denn deren Verwendung zur Leitung kurzer Laserpulse ist motiviert durch neuartige Anwendungsmöglichkeiten (z.B. Datenübertragung, remote sensing, Endoskopie und Materialbearbeitung). Dazu wurde die Transmission polarisationsgeformter Laserpulse durch optische Fasern untersucht (siehe Abb. 3). Dies ist insbesondere von großem medizinischem Interesse, denn es erlaubt die gezielte Zuleitung von beliebig geformten Laserpulsen durch optische Fasern an endoskopisch erreichbare Regionen und deren Detektion durch Rückreflektion.

 

Abb. 3: Experimenteller Aufbau zur Transmission von in Phase, Amplitude und Polarisation geformten Laserpulsen durch optische Fasern. Ein Detektionsverfahren in Reflektion ist zudem beinhaltet.

 

Sehr gebräuchlich sind in diesem Forschungsgebiet die single mode Stufenindex-Fasern, die nach dem Prinzip der Totalreflexion funktionieren. Für hohe Pulsintensitäten treten jedoch nichtlineare Prozesse auf, welche die Pulseigenschaften stark verändern können [7,8]. Dies verhindert in vielen Fällen die Anwendungen der hindurchtretenden Laserpulse zur Beeinflussung von optisch induzierten Prozessen. In den letzten Jahren sind neuartige photonische Kristall-Fasern (PCF) entwickelt worden [9], wobei durch periodische Mikrostrukturierung eine photonische Bandlücke entsteht, welche einen Austritt des Lichtes aus dem Faserkern verhindert. Besonders vorteilhaft sind sogenannte “hollow-core“ Fasern mit einem Hohlraum im Inneren, in dem der Laserpuls vorwiegend propagiert. Dies reduziert die Dispersion und nichtlineare Effekte wie Selbstphasenmodulation drastisch, da nur ein kleiner Teil des Lichtes durch Glas läuft. Es lassen sich daher auch sehr viel energiereichere Laserpulse im Nanojoulebereich durch die Faser leiten [10], was z.B. entscheidende Vorteile bei der endoskopischen Zweiphotonen-Mikroskopie bietet [11].

           Vor diesem Hintergrund wurden die Untersuchungen zur zielgerichteten stabilen Herstellung von simultan in Phase, Amplitude und Polarisation geformten Laserpulsen nach Transmission durch optische Fasern durchgeführt. Die Experimente erfolgten an gebräuchlichen Stufenindex-Fasern und an hochaktuellen doppelbrechenden Hohlkernfasern. Es konnten dabei alle der insgesamt möglichen Parameter des Lichtfeldes gleichzeitig und unabhängig voneinander nach der Faser moduliert werden, wobei neu entwickelte Methoden der Laserpulsformung zum Einsatz kamen. Zur Herstellung der vom Benutzer gewünschten Laserpulsformen nach vorkompensierter Interaktion beim Faserdurchgang wurden insbesondere analytische Verfahren der parametrischen Pulsformung eingesetzt. Dabei sind gleichzeitig die Beeinflussungen durch die Fasern vorzukompensieren und parametrische Laserpulsformungen so einzustellen, dass die vom Benutzer gewollten Laserpulsformen stabil am Faserausgang hergestellt werden (siehe Abb. 4). Dies erlaubt auch die Durchführung adaptiver Optimierungsmethoden zur kontrollierten Prozessbeeinflussung nach der Faser, welches für die Optimierung der Ionisierung von Kaliumdimeren im Molekularstrahl demonstriert wurde. Dabei konnte eine beträchtliche Verbesserung des Optimierungsfaktors bei Hinzunahme der Polarisation des Laserpulses beobachtet werden [12]. Zudem wurde ein Reflexionsverfahren für eine kontinuierliche Detektion der erhaltenen Pulsformen angegeben. Dazu wird ein Teil des Laserlichtes wieder zurück durch die Faser reflektiert und die bei der Anwendung vorliegende Pulsform aus der am Fasereingang austretende Pulsform unter Einberechnung der Fasereigenschaften rekonstruiert [13]. Dadurch wird eine in medizinischen Verfahren räumlich problematische Detektion am Faserausgang überflüssig und es eröffnen sich neue Perspektiven für präzise endoskopische Anwendungen.  

 

 Abb. 4: Systematische Darstellung der Pulsformungsmöglichkeiten nach einer Hohlkernfaser. (a) 3D-Darstellung eines Beispielpulses mit zwei linear polarisierten Unterpulsen, die unter einem Winkel von 30° zueinander stehen. (b) Unterpulsdauern für Chirp des zweiten Unterpulses. (c) Unterpulsorientierungen für unterschiedlich eingestellte Orientierungen des zweiten Unterpulses. (d) Unterpulselliptizitäten bei Änderung der eingestellten Unterpuls-Elliptizität.

 

Ein Hauptziel besteht darin, Pulsformungsmethoden zur Kohärenten Kontrolle multiphotonischer Prozesse nach Übertragung polarisationsgeformter Laserpulse durch optische Fasern einzusetzen. Die geformten Laserpulse ermöglichen die selektive multiphotonisch induzierte Fluoreszenz von Farbstoffmischungen. Spezielle antisymmetrische Phasenfunktionen wurden für Scans der mehrphotonischen Anregung verwendet. Dabei konnten insbesondere die bisher zweiphotonischen Untersuchungen auf dreiphotonische selektive Anregungen von UV-Farbstoffen zur Kontrastverbesserung ausgeweit werden. Mit Polarisationspulsformung konnten zudem zweiphotonische Übergänge selektiv auch in unterschiedlichen Polarisationsrichtungen angeregt werden (siehe Abb. 5). Damit wird das aktuelle Forschungsgebiet der Anisotropie-Spektroskopie zugänglich, welches Informationen über die Mobilität, Größe und Struktur molekularer Aggregate auch in vivo zulässt. Diese Methoden erlauben verbesserte Bildgebungsverfahren und molekulare Prozesssteuerung mit spezifisch geformten Kurzpulsen.

        

Abb. 5: Kontrastverbesserung durch einen polarisationsgeformten Laserpuls. In der einen Polarisationsrichtung wird der eine Farbstoff optimal zweiphotonisch angeregt und in der anderen Polarisationsrichtung simultan der andere Farbstoff.

 

Zukünftige Untersuchungen

Die zur Verfügung stehenden neuartigen Konzepte haben zukunftsweisendes Potenzial für die Beeinflussung fundamentaler Prozesse in biologisch relevanten Systemen und dabei insbesondere hinsichtlich medizinischer Anwendungen. Die dort vorkommenden, optisch induzierbaren molekularen Prozesse könnten mit dieser Methode gewollt beeinflusst werden, um entsprechende kontrollierte Wirkungen zu erzielen oder grundsätzliche Informationen über die Systeme selbst zu erhalten. So wäre es auf diese Weise zukünftig möglich, bisherige lasermedizinische therapeutische Verfahren, wie zum Beispiel Augen-, Haut- oder Tumorbestrahlungen, substanziell zu verbessern.  

Für einen konkreten und schnellen Start in dieses Fachgebiet sind nach optischen Voruntersuchungen an Biomarkern Experimente an Augen- und Hautgewebe, welches von den medizinischen Partnern bereitgestellt werden könnte, vorgesehen. An diesen Anwendungsbeispielen sollen fundamentale optisch induzierte Prozesse optimal gesteuert werden. Diese Experimente könnten auch auf die flüssige Phase ausgedehnt werden, wodurch in vitro oder in vivo Untersuchungen z. B. mittels hochauflösender mikroskopischer Verfahren realisierbar wären. 

Zudem soll die Methodenentwicklung zur verbesserten Pulsformung sowie zur Extraktion der relevantesten Informationen fortgeführt werden. Erste Bestrebungen dazu wurden bereits bei der simultanen Formung von Phase, Amplitude und Polarisation unternommen und könnten hinsichtlich verbreiterter und bisher nicht genutzter Spektralbereiche (IR, UV), sowie entsprechend kürzerer Laserpulse weiterentwickelt werden. Es werden bereits Experimente mit intensiven Laserpulsen unternommen, um das Superkontinuum-Spektrum (400nm - 900nm) zu modulieren, welches durch Selbstfokussierung und Selbstphasenmodulation in Luft erzeugt wird. Damit würde eine größere Vielfalt in der optimalen Beeinflussung von medizinisch relevanten Prozessen eröffnet.

Als weiterer neuartiger Forschungsbereich würde sich die Kombination der Pulsformungsmethoden mit neuartigen optischen Fasern und Mikrostrukturen anbieten. Dieses ist von großem medizinischem Interesse, denn es erlaubt die gezielte Zuleitung von beliebig geformten Laserpulsen durch optische Fasern an endoskopisch erreichbare Regionen und deren Detektion durch Rückreflektion. Eine Ausweitung der Pulsformungsmöglichkeiten auf innovative optische Materialien (Kagome-Faser, Nanooptiken, usw. ) würde sich besonders anbieten. Auch die nichtlineare Spektroskopie und reaktive Steuerung von in den Hohlkern dieser mokrostukturierten Fasern eingebrachten Substanzen könnte erforscht werden, welches neue Anwendungen im Bereich der Sensorik bieten würde.


Abb. 6: Pulsformerufbau zur simultanen räumlichen und zeitlichen Laserpulsformung

Eine interessante Erweiterung der Pulsformungsmöglichkeiten besteht in der simultanen zeitlichen und räumlichen Laserpulsformung (siehe Abb. 6). Sie erlaubt neuartige mikroskopische Anwendungen insbesondere in der Zweiphotonenmikroskopie, der nichtlinearen hochauflösenden Mikroskopie (z.B. STED), in der Beeinflussung von molekularen Prozessen und in der Oberflächenstrukturierung (z. B. durch Polymerisierung). Dieses Projekt erfolgt in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Herrn Prof. Dr. Heyne.

 

Literatur

[1] A. Lindinger, C. Lupulescu, M. Plewicki, F. Vetter, S. M. Weber, A. Merli, and L. Wöste, Phys. Rev. Lett. 93, 033001 (2004)

[2] B. Schäfer-Bung, R. Mitric, V. Bonacic-Koutecky, A. Bartelt, C. Lupulescu, A. Lindinger, S. Vajda, S. M. Weber, and L. Wöste, J. Phys. Chem. A 108, 4175 (2004) 

[3] A. Lindinger, S. M. Weber, C. Lupulescu, F. Vetter, M. Plewicki, A. Merli, L. Wöste, A. Bartelt, and H. Rabitz, Phys. Rev. A 71, 013419 (2005)

[4] S. M. Weber, M. Plewicki, F. Weise, and A. Lindinger, J. Chem. Phys. 128, 174306 (2008)

[5] W. Salzmann, T. Mullins, J. Eng, M. Albert, R. Wester, M. Weidemüller, A. Merli, S. M. Weber, F. Sauer, M. Plewicki, F. Weise, L. Wöste, and A. Lindinger, Phys. Rev. Lett. 100, 233003 (2008)

[6] A. Lindinger, J. P. Toennies, and A. F. Vilesov, J. Chem. Phys. 110, 1429 (1999)

[7] Nonlinear Fiber Optics, G. P. Agrawal, Academic Press, San Diego, California, USA (1995).

[8] S. W. Clark, F. Ö. Ilday, and F. W. Wise, Optics Letters 26, 1320 (2001).

[9] P. Russell, Science 299, 358 (2003).

[10]  W. Göbel, A. Nimmerjahn, and F. Helmchen, Opt. Lett. 29, 1285 (2004).

[11]  S.-P. Tai, M.-C. Chan, T.-H. Tsai, S.-H. Guol, L.-J. Chen, and C.-K. Sun, Optics
Express 12, 6122 (2004).

[12] F. Weise, G. Achazi, and A. Lindinger, Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 8621 (2011)

[13] G. Achazi, A. Patas, F. Weise, M. Pawłowska, and A. Lindinger, Appl. Opt. 50, 915 (2011).