Femtosecond coherent control of terahertz radiation by transient nanophotonic structures
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurde ein sehr flexibler Ansatz zur ultraschnellen Manipulation von THz-Strahlung realisiert, und zwar durch transiente nanophotonische Strukturen. Dazu wurde eine dünne Halbleiterplatte mit einem sichtbaren Femtosekundenlaserpuls angeregt, dessen Strahlprofil vorher mit einem räumlichen Lichtmodulator gezielt strukturiert wurde. Durch Absorption im Halbleiter wurde dieses Strahlprofil in ein Dichteprofil von quasifreien Elektronen und Löchern umgewandelt. Während bestrahlte Flächen kurzzeitig (transient) metallisch wurden, blieben unbestrahlte Stellen halbleitend. Da mittels optischer Strahlung Elemente deutlich kleiner als die die THz-Wellenlänge von ~300 µm erzeugt werden können, wurde somit das „Anschalten“ eines maßgeschneiderten Metamaterials für THz-Strahlung auf Femtosekundenzeitskalen möglich. Nach Aufbau des optischen-Pump/THz-Probe-Experimentes und Optimierung/Charakterisierung des räumlichen Lichtmodulators wurden verschiedene anisotrope planare Strukturen transient erzeugt und mittels THz-Transmissionsspektroskopie untersucht. Hier erwiesen sich vor allem streifenartige Strukturen als besonders geeignet für die Realisierung von THz-optischen Elementen mit stark polarisationsabhängiger Transmissionsamplitude und Phasenverschiebung, was der Funktionalität eines Polarisators und einer Wellenplatte entspricht. Die experimentellen Ergebnisse ließen sich sehr gut durch ein Modell basierend auf der Theorie effektiver Medien erklären. Die erfolgreiche Modellierung der transienten Struktur zeigte, dass für eine optimale Polarisatorfunktionalität ein maximaler Kontrast des modulierten Lichtstrahls entscheidend ist. Da diese Maßgabe mit breitbandigen optischen Strahlen nur näherungsweise erreichbar ist (Kontrast ~1 %), wurden alternative Lösungen entworfen und erfolgreich getestet. Zu diesem Zweck wurden Ladungsträger nicht durch 1-Photonen-Absorption in Si, sondern durch 2-Photonen-Absorption in 3C- und 6H-SiC erzeugt. In diesem Testexperiment wurde eine unmodulierte Anregung gewählt. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass sich SiC sehr gut zur Erzeugung quasifreier Ladungsträger hoher Mobilität (vergleichbar zu einkristallinem intrinsischem Si) eignet. Durch die 2-Photonen-Natur der Anregung ergibt sich ein deutlich verbesserter Ladungsträgerdichte- Kontrast von ~(1 %)^2=10^-4. Die größere Dicke sollte auch die Verwendung der Platte als „slab waveguide“ ermöglichen. Dieser Modus konnte für die 10 µm dünnen und mit 1-Photonen-Absorption dickenhomogen angeregten Si-Platte noch nicht realisiert werden, da keine messbare Einkopplung von THz-Strahlung in die zu dünne Platte nachgewiesen konnte. Zur Signalsteigerung wurde daher auch eine THz-Quelle mit größerer Pulsenergie erfolgreich aufgebaut und getestet. Das ultraschnelle Einschalten der transienten photonischen Strukturen erlaubte uns die Manipulation von THz-Strahlung „auf dem Fluge“, d.h. bei ihrer Propagation durch eine sich schnell verändernde Nanostruktur. Hierzu wurde ein transientes planares Metamaterial in dem Moment eingeschaltet, in dem die erste Hälfte eines THz-Pulses die Platte durchquert hatte. Die zweite Hälfte des Pulses „sah“ dann eine neue Struktur und erfuhr eine signifikante Polarisationsdrehung. Dieses Prinzip sollte sich sehr gut für praxisrelevante Funktionalitäten wie dem räumlichen Trennen eines Pulses in zwei Teile mit jeweils kürzerer Dauer und damit verbreitertem Spektrum eignen.
Publications
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Resonant and nonresonant control over matter and light by intense terahertz transients (Review Article), Nature Photonics 7, 680-690 (2013)
T. Kampfrath, K. Tanaka, K. A. Nelson
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Sub-cycle control of terahertz waveform polarization using all-optically induced transient metamaterials, Nature: Light: Science and Applications 3, e155 (2014)
N. Kamaraju, A. Rubano, L. Jian, S. Saha, T. Venkatesan, J. Nötzold, R. K. Campen, M. Wolf, T. Kampfrath
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Terahertz conductivity and ultrafast dynamics of photoinduced charge carriers in intrinsic 3C and 6H silicon carbide, Applied Physics Letters 105, 032104 (2014)
Rubano, M. Wolf, T. Kampfrath
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Terahertz-field-induced optical birefringence in common window and substrate materials, Optics Express 23, 28985 (2015)
M. Sajadi, M. Wolf, T. Kampfrath
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Ultrafast Dynamics of Fluctuations in High-Temperature Superconductors Far from Equilibrium, Physical Review Letters 114, 067003 (2015)
L. Perfetti, B. Sciolla, G. Biroli, C. J. van der Beek, C. Piovera, M. Wolf, T. Kampfrath
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Transient birefringence of liquids induced by terahertz electric-field torque on permanent molecular dipoles, Nature Communications 8, Article number: 14963 (2017)
M. Sajadi, M. Wolf, T. Kampfrath
