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Erzeugung von multi-mJ Laserimpulsen mit einer Dauer weniger Zyklen im mittleren Infrarot für die Untersuchung Soliton-induzierter ultraschneller Phänomene in atomaren- und molekularen Gasen unter Verwendung dielektrisch-beschichteter metallischer Hohlkernfasern

Fachliche Zuordnung Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
Förderung Förderung von 2020 bis 2024
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 443415906
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Zuerst wurde die Eignung von Hohlkernfaser (HCF) für die Kompression bei 2 µm Wellenlänge demonstriert. 40 mJ Impulse wurden nach der spektralen Verbreiterung in einer 3 m langen Kr-gefüllten HCF von 1.4 ps auf 86 fs mit mehr als 20 mJ Energie komprimiert. Um die angestrebten Impulse bei Wellenlänge größer 10 µm zu erzeugen, wurde unser ZGP-basierte midwave-IR OPCPA um eine longwave (LWIR) OPCPA Stufe erweitert. Der GaSe-basierte LWIR-OPCPA wird ebenfalls bei 2 µm gepumpt und arbeitet mit einer Folgefrequenz von 1 kHz. Die komprimierten Idler-Impulse bei 11,4 µm haben eine Dauer von 180 fs und eine Energie von 50 µJ, was einen Rekordwert darstellt. Die damit erzeugten Spitzenintensitäten von mehreren TW/cm2 im Fokus ermöglichte erste nichtlineare Transmissionsexperimente in Wasser, aber um Solitonenffekte jenseits von 10 µm in HCFs zu untersuchen, reichte die Intensität leider nicht aus. Erstmalig wurde die Selbstkompression von Impulsen bei 5 μm Wellenlänge in einer Argon gefüllten HCF nachgewiesen und charakterisiert. 1,9 mJ Impulse erfuhren im 1-kHz Impulszug eine 1,8-fache Kompression von 85 fs auf 47 fs, was weniger als drei optischen Zyklen entspricht. Die komprimierten Pulse enthielten 0,88 mJ Energie, was die höchste Spitzenleistung (17 GW) für Imulse mit wenigen Zyklen jenseits von 4 µm Wellenlänge darstellt. Die numerischen Simulationen, welche gut mit dem Experiment übereinstimmen, zeigen, dass die Kompression auf die solitonische Selbstkompression zurückgeführt werden kann. Wir untersuchten numerisch die theoretischen Perspektiven der solitonischen Selbstkompression im langwelligen Infrarotbereich und prognostizieren die Möglichkeit der Erzeugung von Impulsen mit nur einem Zyklus des elektrischen Feldes. Der Einfluss des Coulomb-Potentials auf die plasma-induzierte Suszeptibilität in einem photoionisierten Gas wurde numerisch untersucht. Das long-range Coulomb-Potential des Atomkerns führt zu einem Beitrag zum Imaginärteil der Suszeptibilität, der bei einem shortrange Potential keine Entsprechung hat. Wir zeigten, dass der Ursprung dieses Verhaltens Elektronen (e-) in Zuständen sind, die dem Kontinuum sehr nahe kommen (nahezu freie e-). Ein rigoroser analytischer Ansatz für die Ausbreitungssimulation auf der Grundlage eines Propagatoroperators wurde entwickelt, der im Zeitbereich definiert ist. Dieser Ansatz ermöglicht präzise Simulationen mit kurzen Zeitfenstern auch für resonante Medien und erleichtert die Kopplung der Ausbreitungsgleichung mit First-Principle-Methoden; außerdem entwickeln wir eine numerisch effiziente Technik zur Konstruktion eines solchen Propagatoroperators. Desweiteren haben wir ein alternatives nichtlineares Kompressionsverfahren auf der Basis von Bulkmaterialien demonstriert. Durch Post-Kompression der 5-µm Impulse in ZnSe konnten Impulse mit einer Länge von 53 fs und einer Energie von 1,9 mJ erzeugt werden.

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