Kennisbank

Femtoseconde: de tijdschaal waarop atomen bewegen

Bijgewerkt: 15 augustus 2026 · 6 min leestijd

Een femtoseconde is een miljardste van een miljoenste seconde: 0,000000000000001 seconde, oftewel 10-15 seconde. Dat getal is zo klein dat het menselijk voorstellingsvermogen er nauwelijks vat op krijgt, maar er is een manier om het tastbaar te maken. Licht, het snelste dat er bestaat, legt in vacuüm ongeveer 300.000 kilometer per seconde af. In één femtoseconde komt het niet verder dan zo'n 300 nanometer, minder dan de dikte van een zeepbelwand en ruim tweehonderd keer dunner dan een mensenhaar. Waar licht een seconde nodig heeft om de aarde ruim zeven keer te omcirkelen, komt het in een femtoseconde amper een fractie van een bacterie ver.

Een andere manier om de schaal te vatten: het aantal femtoseconden in één seconde (een 1 met vijftien nullen) is ongeveer even groot als het aantal seconden in 32 miljoen jaar. Met andere woorden, één femtoseconde verhoudt zich tot één seconde zoals één seconde zich verhoudt tot de tijd sinds er voor het eerst primaten op aarde rondliepen. Deze extreem korte tijdschaal is niet zomaar een curiosum: het is precies de tijdschaal waarop atomen in moleculen bewegen en chemische bindingen breken of ontstaan. Wie processen op die schaal wil filmen of beïnvloeden, heeft gereedschap nodig dat even snel is: femtoseconde-lasers.

Wat is het precies?

Een femtoseconde-laser is geen laser die continu licht uitstraalt, maar een laser die het licht bundelt in extreem korte flitsen, of pulsen, die elk maar enkele tot enkele tientallen femtoseconden duren. Om zo'n korte puls te maken, laat men heel veel verschillende lichtgolflengten tegelijk in de laser meetrillen en zorgt men ervoor dat al die golven op één moment precies in fase samenkomen. Die techniek heet mode-locking. Het resultaat is een puls die in tijd extreem smal is, ook al bevat hij relatief weinig energie per flits.

Voor toepassingen waarbij juist veel energie in zo'n korte puls nodig is, zoals het doorboren van metaal of het opwekken van extreme veldsterktes voor onderzoek, gebruikt men een truc die chirped pulse amplification heet (CPA, letterlijk "versterking van uitgerekte pulsen"). Daarbij wordt een korte puls eerst in tijd "uitgesmeerd" tot een langere, minder intense puls, die vervolgens veilig kan worden versterkt zonder de laseroptiek te beschadigen. Daarna wordt de puls weer teruggeperst tot zijn oorspronkelijke, femtoseconde-korte vorm, maar dan met veel meer energie. Deze methode, uitgevonden door Gérard Mourou en Donna Strickland, leverde hen in 2018 de Nobelprijs voor Natuurkunde op en ligt aan de basis van vrijwel alle krachtige femtoseconde-lasersystemen die vandaag bestaan.

Om te meten wat er in zo'n extreem korte tijd gebeurt, kan geen enkele elektronische camera of detector snel genoeg schakelen. Onderzoekers gebruiken daarom de pump-probe-techniek: een eerste, "pompende" laserpuls start een proces (bijvoorbeeld het breken van een chemische binding), en een tweede, "aftastende" puls volgt daarna met een nauwkeurig ingestelde vertraging om te zien in welke toestand het systeem zich op dat moment bevindt. Door de vertraging tussen beide pulsen stapsgewijs te veranderen en telkens opnieuw te meten, ontstaat effectief een soort slow-motionfilm van een gebeurtenis die in werkelijkheid in een oogwenk voorbij is.

Wat wil men ermee bereiken?

Het eerste en meest fundamentele doel is wetenschappelijk: begrijpen hoe atomen en elektronen zich gedragen tijdens de allersnelste processen in de natuur, zoals het breken en vormen van chemische bindingen, het overspringen van elektronen tussen moleculen, of de eerste stappen van fotosynthese. Dit vakgebied heet femtochemie en heeft de manier waarop scheikundigen naar reacties kijken fundamenteel veranderd: in plaats van alleen begin- en eindproducten te zien, kan men nu het "tussenstation" van een reactie waarnemen.

Een tweede doel is praktisch en heeft te maken met materiaalbewerking. Omdat een femtoseconde-puls zo kort is, geeft hij zijn energie af voordat de omliggende materie warmte kan geleiden. Dat betekent dat je met zo'n laser extreem precies materiaal kunt verwijderen of snijden, zonder dat de rand smelt of verbrandt, een proces dat wel "koude ablatie" wordt genoemd. Dat maakt de techniek aantrekkelijk voor het bewerken van gevoelige materialen zoals glas, siliciumchips of medische implantaten.

Ten derde spelen femtoseconde-technieken een sleutelrol in precisiemetrologie, de wetenschap van het nauwkeurig meten. Zogeheten optische frequentiekammen, opgebouwd uit reeksen femtoseconde-pulsen, maken het mogelijk om lichtfrequenties met extreme nauwkeurigheid te meten en te vergelijken. Dat is de basis voor de nauwkeurigste atoomklokken ter wereld en voor satellietnavigatie.

Voorbeelden uit de praktijk

Een aantal concrete mijlpalen laat zien hoe femtoseconde-technologie zich in de praktijk heeft bewezen:

  • Femtochemie (1999): de Egyptisch-Amerikaanse scheikundige Ahmed Zewail ontving de Nobelprijs voor de Scheikunde voor zijn werk aan Caltech, waarin hij met femtoseconde-lasers voor het eerst "live" kon volgen hoe chemische bindingen tijdens een reactie breken en ontstaan.
  • Femtoseconde-oogchirurgie (sinds eind jaren negentig/2000): technieken zoals IntraLase gebruiken femtoseconde-laserpulsen om extreem precieze, dunne sneetjes in het hoornvlies te maken bij LASIK-behandelingen en cataractoperaties, met minder weefselschade dan met een mechanisch mesje.
  • Chirped pulse amplification en Extreme Light Infrastructure (2018 en verder): na de Nobelprijs voor Mourou en Strickland werd de techniek verder opgeschaald in het Europese ELI-project (Extreme Light Infrastructure), met grote laserfaciliteiten in Tsjechië, Roemenië en Hongarije, gericht op onderzoek naar materie onder extreme lichtintensiteiten.
  • Optische frequentiekammen (2005): John Hall en Theodor Hänsch ontvingen de Nobelprijs voor Natuurkunde voor de ontwikkeling van deze techniek, die inmiddels wordt gebruikt in de nauwkeurigste atoomklokken en bijdraagt aan de precisie van systemen zoals gps.
  • Attoseconde-fysica als vervolgstap (2023): Pierre Agostini, Ferenc Krausz en Anne L'Huillier ontvingen de Nobelprijs voor Natuurkunde voor experimentele methoden om lichtflitsen te maken die nog duizend keer korter zijn dan een femtoseconde: attoseconden. Dat werk bouwt rechtstreeks voort op decennia aan femtoseconde-laserontwikkeling.

Hoe ver is de techniek?

Femtoseconde-lasers zijn geen exotisch laboratoriumcurriosum meer, maar volwassen, commercieel verkrijgbare apparatuur. Ze worden dagelijks ingezet in oogklinieken, in de halfgeleiderindustrie voor het snijden van glas en chips, en in duizenden onderzoekslaboratoria wereldwijd voor spectroscopie en materiaalonderzoek. De basistechnologie is dus breed beschikbaar en betrouwbaar.

Waar de wetenschap nu vooral vooruitgang boekt, is aan de randen van het veld. Aan de ene kant proberen onderzoekers de pulsen nog korter te maken, richting en voorbij de attoseconde-grens, om nog snellere elektronenprocessen te kunnen volgen; dat blijft voorlopig hoogspecialistisch laboratoriumwerk met een handvol faciliteiten wereldwijd. Aan de andere kant wordt gewerkt aan hogere vermogens: faciliteiten zoals ELI proberen petawatt-niveaus te bereiken (een petawatt is een miljoen miljard watt, zij het gedurende een extreem korte tijd), wat gepaard gaat met hoge kosten en complexe infrastructuur. Tegelijk zet een tegengestelde trend door: compactere en goedkopere glasvezel-gebaseerde femtoseconde-lasers maken de technologie toegankelijker voor kleinere bedrijven en universiteiten, al blijft de allerhoogste prestatieklasse voorbehouden aan grote, goed gefinancierde instituten.

Wie werken eraan?

Het onderzoek en de ontwikkeling zijn sterk internationaal verspreid. Op onderzoeksgebied springen instituten eruit zoals het Max Planck Institute for Quantum Optics in Duitsland (waar Ferenc Krausz werkte), de universiteit van Lund in Zweden (het werkterrein van Anne L'Huillier), JILA en het National Institute of Standards and Technology (NIST) in de Verenigde Staten (verbonden aan John Hall), en Caltech, waar Ahmed Zewail zijn femtochemie ontwikkelde. Ook Franse instituten zoals École Polytechnique spelen van oudsher een grote rol in de laserfysica.

Op Europees niveau is het ELI-consortium (Extreme Light Infrastructure) het grootste gezamenlijke project, met faciliteiten in Tsjechië, Roemenië en Hongarije die worden gefinancierd vanuit EU-structuurfondsen en nationale overheden. Op industrieel vlak leveren bedrijven als Coherent en Trumpf grootschalige lasersystemen voor onderzoek en industrie, terwijl gespecialiseerde spelers zoals Light Conversion (Litouwen) en Amplitude Laser (Frankrijk) zich hebben toegelegd op ultrakorte-pulslasers, en IPG Photonics een belangrijke producent is van glasvezellasertechnologie die ook in dit veld wordt toegepast.

Verder lezen