Abstimmbare effiziente Terahertz-Strahlungsquelle hoher Leistung basierend auf Thulium-dotierten Faserlasern mit synchronem Multi-Wellenlängenbetrieb

• Antragsteller: Matthias Jäger, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 283997287

Terahertz-Strahlung (0,1 - 10 THz) generiert momentan sehr großes Interesse durch ihre einzigartigen Eigenschaften, die zahlreiche neue Anwendungen in den Bereichen Sicherheit, Biologie, Medizin und Kommunikation triggert. Während THz-Strahlung nur schwach in Nichtmetallen absorbiert wird und nicht ionisierend auf biologisches Gewebe wirkt, zeigt die Wechselwirkung mit vielen Molekülen klar identifizierbare Absorptionsmaxima, die ideal für THz-Spektroskopie und multispektrale Bildgebung als leistungsstarke Analysemethoden geeignet sind. Trotz erster kommerzieller THz-Systeme besteht noch ein immenser Forschungs- und Entwicklungsbedarf, um THz-Quellen alltagstauglich zu machen. Bisher ist es keiner der zahlreichen Methoden gelungen, eine THz-Quelle hervorzubringen, die gleichzeitig kompakt, effizient, breitbandig abstimmbar ist und bei Raumtemperatur betrieben werden kann. THz-Quellen basierend auf Differenz-frequenzerzeugung (DFG) in einem nichtlinearen Kristall und Pumpen mittels Faserlaser sind ein vielversprechender Ansatz, da sie leistungsskalierbar sind und die inhärenten Vorteile von Faserlasern nutzen. Allerdings ist diese Methode bisher noch nicht mit der Möglichkeit zur Frequenzabstimmung verknüpft worden, die für THz-Spektroskopie und multispektrale Bildgebung unabdingbar sind. Dieses ambitionierte Projekt TERATUNE möchte genau dieses Ziel, basierend auf einer neuartigen am IPHT entwickelten Faserlaserarchitektur und XLIMs Erfahrung im innovativen Design von Hochleistungsfasern und -verstärkern, erreichen. Auf der Grundlage von konfigurierbaren Fasergitter-Arrays mit maßgeschneiderten spektralen Eigenschaften, hat das IPHT kürzlich mit 74 nm im Ytterbium-Band einen neuen Rekord für abstimmbare faserintegrierte Laser aufgestellt, der elektronisch abstimmbar ist. Mit einem neuen Resonatordesign hat das IPHT dieses Prinzip durch eine konstante, spektral unabhängige Pulswiederholrate ergänzt und die Grundlage für die synchrone Emission von zwei abstimmbaren Wellenlängen aus einem Laser gelegt. Gepaart mit den neuartigen aktiven Very Large Mode Area-Fasern von XLIM, die einzigartige Wellenleitungseigenschaften für den hochleistungs-Grundmodenbetrieb haben und effizient parasitäre nichtlineare Effekte unterdrücken, ermöglichen diese Technologien eine gepulste, leistungsstarke und breitbandig abstimmbare THz-Quelle. TERATUNE möchte dieses Konzept auf der Grundlage eines Thulium-dotierten Faserlasersystems für 2 Klassen von THz-Quellen umsetzen: (i) kontinuierlich abstimmbare Quelle im Bereich 0,3- 1 THz, die die meisten THz-Anwendungen adressiert, (ii) diskret abstimmbare Quelle, die fast das gesamte THz-Spektrum abdeckt. Der Erfolg dieses ambitionierten Projekts erfordert ein sehr hohes Maß an wissenschaftlicher Kompetenz in der Feldern Photonik, Laserarchitektur und neuen aktiven Fasern für optische Faserverstärker extrem hoher Leistung. Diese komplementären Qualitäten werden in der Kooperation zwischen IPHT und XLIM zusammengeführt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Dr. Georges Humbert; Dr. Philippe Roy