Ultraschnelle kohärente Kontrolle von Terahertz-Strahlung in transienten nanophotonischen Strukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Tobias Kampfrath
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 231727808

Kohärente Strahlung aus dem Frequenzbereich von 0.3 bis 30THz ist seit kurzem durch den Einsatz von Femtosekundenlasern verfügbar. Terahertz (THz)-Strahlung hat zahlreiche Anwendungen, insbesondere in der Spektroskopie niederfrequenter Anregungen (z. B. Molkülschwingungen/rotationen, Phononen und Spinwellen in Festkörpern), beim Abbilden und in kurzreichweitigen Drahtlosnetzwerken mit THz-Bitraten. Neben der Manipulation von THz-Strahlung mit statischen Elementen wie Linsen, Polarisatoren und Filtern ist auch eine ultraschnelle Modulation erwünscht, beispielsweise in schnellen optischen Schaltern und Frequenzschiebern. Diese Entwicklung steht jedoch erst am Anfang.In diesem Antrag wird ein extrem flexibler Ansatz zur ultraschnellen Manipulation von THz-Strahlung vorgeschlagen, und zwar durch transiente nanophotonische Strukturen. Dazu wird eine dünne Halbleiterplatte mit einem sichtbaren Femtosekundenlaserpuls angeregt, dessen Strahlprofil vorher mit einem räumlichen Lichtmodulator gezielt strukturiert wurde. Durch Absorption im Halbleiter wird dieses Strahlprofil in ein Dichteprofil von quasifreien Elektronen und Löchern umgewandelt. Während bestrahlte Flächen metallisch werden, bleiben unbestrahlte Stellen halbleitend. Da mittels optischer Strahlung Elemente deutlich kleiner als die die THz-Wellenlänge (etwa 300 Mikrometer) erzeugt werden können, wird somit das Anschalten einer maßgeschneiderten nanooptischen Struktur für THz-Strahlung auf Femtosekundenzeitskalen möglich.Wir werden diesen Ansatz nutzen, um transiente periodische Strukturen zu erzeugen, und zwar Metamaterialien und photonische Kristalle.(1) Wir planen die Realisierung von transienten Polarisatoren und Verzögerungsplatten durch Erzeugung von Metamaterialien mit einer hochgradig anisotropen Einheitszelle, die das Material doppelbrechend macht. Ziel ist auch die Realisierung von photonischen Kristallen für THz-Strahlung mit möglichst großer Bandlücke und Gruppenverzögerung (slow light). Dabei sollen auch Aspekte wie Ohmsche Verluste von THz-Strahlung durch freie Ladungsträger Beachtung finden.(2) Durch Variation der Ladungsträgerdichte in den transienten Strukturen werden wir grundlegende optische Konzepte testen. Bei welcher Ladungsträgerdichte beginnt sich eine optische Struktur metallisch zu verhalten? Wie metallisch muss ein Raster von Nanoscheiben sein, damit es eine signifikante Kopplung an das Magnetfeld der THz-Welle erfährt?(3) Wir planen die kohärente Manipulation von THz-Strahlung auf dem Fluge, d.h. bei ihrer Propagation durch eine sich schnell verändernde Nanostruktur. Eine wichtige Anwendung solch ultraschneller Nanostrukturen ist die Frequenzverschiebung von THz-Pulsen, die Zugriff auf das bisher schwer zu erreichende Frequenzfenster von 5 bis 8THz ermöglicht. Desweiteren planen wir, das Spektrum von THz-Pulsen adiabatisch zu komprimieren (spectral lensing).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Professor Dr. Kurt Busch