Femtosekunden-Laserverstärkersystem

• Subject Area: Condensed Matter Physics
• Term: Funded in 2013
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 233412044

• Final Report Year: 2017

Final Report Abstract

Dieses Projekt diente der Finanzierung eines Kostenanteils für den Aufbau eines Großgeräts im Rahmen eines ERC Advanced Grants, der auf Grund der Abschreibungs-Regelungen nicht von der EU übernommen werden konnte. Das entsprechende Hochleistungs-Femtosekunden-Lasersystem auf weitgehender Basis Seltenerd-dotierter Wirtsmaterialien stellt weit abstimmbare und ultrakurze Lichtimpulse vom fern-infraroten bis in den ultravioletten Spektralbereich bei variablen Repetitionsraten, Impulsdauern und Impulsenergien zur Verfügung. Die breitbandige Frequenzkonversion wird durch verschiedene optisch-parametrische Verstärkerstufen geleistet. Der innovative Charakter des Systems erlaubte zunächst Veröffentlichungen zu seiner technischen Ausführung und den dabei beobachteten physikalischen Zusammenhängen. So konnten wir das Bifurkationsverhalten der Yb:YAG-Scheibenverstärkerstufe studieren und letztlich kontrollieren, was zur Erzeugung von Impulsenergien bis zu 17 mJ bei einer Repetitionsrate von 3 kHz führte. Auch die breitbandige Erzeugung und Detektion intensiver Feldtransienten im Spektralbereich zwischen 1 THz und 10 THz über phasenangepasste Differenzfrequenzmischung in 4H-SiC ist hier zu nennen. Nach der Quelle schließen sich verschiedene Aufbauten für transiente Absorption und Vier-Wellen-Mischen an. Damit wurden in den vergangenen Jahren diverse Fragestellungen im Bereich der ultraschnellen Phänomene in kondensierter Materie und deren Verhalten in höchsten elektrischen Feldern bearbeitet. Beispielsweise wurde eine Studie ausgeführt, die zu einem detaillierten Verständnis das Absorptionsverhalten halbleitender Kohlenstoff-Nanoröhren bei linearer Anregung unterhalb der nominellen Bandlücke führte. Die Dynamik des Pseudospins in Graphen wurde auf elementaren Zeitskalen untersucht und analytisch verstanden. Im Bereich der Photonik wurden Nanostrukturen aus Germanium auf Silizium-Substrat über optische Anregung innerhalb weniger Femtosekunden in einen metallischen Zustand geschaltet, der plasmonische Eigenschaften zeigt. Auch die nichtlinearen Emissionseigenschaften im mittelinfraroten Spektralbereich wurden untersucht. Derartige Systeme werden es uns in Zukunft erlauben, die photonische Modendichte in Raum und Zeit auf einer Subzyklen-Zeitskala zu manipulieren und damit neuartige nichtklassische Zustände des Lichtfeldes herzustellen. Schlussendlich hat der Aufbau des Systems auch dazu beigetragen, wichtiges Know-How zu erlangen für die ersten direkten Quantenmessungen elektrischer Felder in Raum und Zeit, sowie deren Manipulation und Analyse mit Subzyklen-Zeitauflösung.

Publications

• Below-gap excitation of semiconducting single-wall carbon nanotubes, Nanoscale 7, 18337 (2015)
  G. Soavi, A. Grupp, A. Budweg, F. Scotognella, T. Hefner, T. Hertel, G. Lanzani, A. Leitenstorfer, G. Cerullo, D. Brida
  
• Ultrafast pseudospin dynamics in graphene, Phys. Rev. B. 92, 165429 (2015)
  M. Trushin, A. Grupp, G. Soavi, A. Budweg, D. De Fazio, U. Sassu, A. Lombardo, A.C. Ferrari, W. Belzig, A. Leitenstorfer, D. Brida
  
• 615 fs pulses with 17 mJ energy generated by an Yb:thin-disk amplifier at 3 kHz repetition rate, Opt. Lett. 41, 246 (2016)
  J. Fischer, A.-C. Heinrich, S. Maier, J. Jungwirth, D. Brida, A. Leitenstorfer
  
• Optical Activation of Germanium Plasmonic Antennas in the Mid-Infrared, Phys. Rev. Lett. 117, 047401 (2016)
  M. Fischer, C. Schmidt, E. Sakat, J. Stock, A. Samarelli, J. Frigerio, M. Ortolani, D. Paul, G. Isella, A. Leitenstorfer, P. Biagioni, D. Brida
  
• Tunability of the dielectric function of heavily doped germanium thin films for mid-infrared plasmonics, Phys. Rev. B 94, 085202 (2016)
  J. Frigerio, A. Ballabio, G. Isella, E. Sakat, G. Pellegrini, P. Biagioni, M. Bollani, E. Napolitani, C. Manganelli, M. Virgilio, A. Grupp, M. Fischer, D. Brida, K. Gallacher, D. Paul, L. Baldassarre, P. Calvani, V. Giliberti, A. Nucara, M. Ortolani
  
• Coherent field transients below 15 THz from phase-matched difference frequency generation in 4H-SiC, Opt. Lett. 42, 2687 (2017)
  M. P. Fischer, J. Bühler, G. Fitzky, T. Kurihara, S. Eggert, A. Leitenstorfer, D. Brida