Als Mensch besitzt man nur Vorstellungsvermögen für Zeiten, die länger als das menschliche Reaktionsvermögen (ca. = 0,1 Sekunde) sind. Für den Zeitbereich von Femtosekunden, der 14 Größenordnungen mal kürzer ist, kann man sich nur indirekt ein "Gefühl" verschaffen:

Wir wollen nun eine kurze Zeitdauer mit der Strecke in Verbindung bringen, die Licht in dieser kurzen Zeit zurücklegt (Siehe Bild 1).

Wie lange dauert eine Pikosekunde? Was ist eine Femtosekunde?

Bild 1: Zeitskalen der Ultrakurzzeitspektroskopie

In einer Sekunde kommt Licht 300 000 km weit. Dies in nur etwas weniger als der Abstand von der Erde zum Mond (ca. 380 000 km).

In einer Pikosekunde (0,000 000 000 001 Sekunden) kommt Licht gerade einmal 0,33 mm (Durchmesser eines dicken Haares) weit.

In einer Femtosekunde (0,000 000 000 000 001 Sekunden) legt Licht 0,33 μm oder = 0,000 33 mm zurück. Dies ist gerade eine halbe Wellenlänge für rotes Licht.

Im folgenden werden wir vorstellen, wie man auf dieser ultrakurzen Zeitskala experimentieren kann.

Auf der Zeitskala von Piko- und Femtosekunden können schnelle Kinetiken nicht mehr mit elektronischen Messmethoden zeitaufgelöst beobachtet werden. Deshalb werden rein optische Methoden verwendet, bei denen das sogenannte Anreg-Abtast-Verfahren eingesetzt wird (Schema dazu siehe Bild 2):

Bild 2: Prinzip eines Anreg-Abtast-Experimentes

Mit einem ersten, ultrakurzen Lichtimpuls (dem Anregungsimpuls) wird der zu beobachtende Vorgang ausgelöst, der zu einer Änderung der Probentransmission (d.h. der Farbe der Probe) führt. Zu einem späteren Zeitpunkt wird dann die Transmission der Probe dadurch gemessen, daß man einen zweiten, geeignet verzögerten Lichtimpuls (den Abtastimpuls) durch den angeregten Teil der Probe schickt und anschließend dessen transmittierte Energie bestimmt. Damit kennt man die Transmission der Probe zu dem Zeitpunkt, an dem der Abtastimpuls die Probe durchquert hatte. Wiederholt man anschließend das Experiment mit verschiedenen Verzögerungszeiten TD, so kann man die Transmission der Probe als Funktion der Zeit bestimmen.

Die folgenden Punkte müssen dabei beachtet werden:

• Man benötigt eine Lichtquelle (Laser) mit geeignet kurzen Lichtimpulsen.
• Die zeitliche Synchronisation auf der Femtosekundenzeitskala zwischen Anregungs- und Abtastlichtimpuls wird dadurch sichergestellt, daß man beide Impulse mit Hilfe eines Strahlteilers (teilreflektierender Spiegel) aus einem kurzen Ausgangsimpuls erzeugt.
• Eine gezielte Variation der Verzögerung auf der Femtosekundenzeitskala läßt sich durch eine optische Umwegleitung im Abtaststrahlengang erreichen.

Ein schematisches Anreg-Abtast-Experiment ist in den beiden folgenden Filmen für frühe Verzögerungszeiten (Verzögerungszeit TD < 0, der Abtastimpuls durchläuft die noch nicht angeregte Probe) und späte Verzögerungszeiten (Verzögerungszeit TD > 0, der Abtastimpuls durchläuft die angeregte Probe mit veränderter Transmission) gezeigt.