Hochleistungs-Ytterbium-Femtosekundenverstärkerlasersystem

• Fachliche Zuordnung: Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung in 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 532577495

Eines der zentralen Forschungsthemen meiner Gruppe ist nichtlineare THz-Spektroskopie quantenelektrodynamischer Resonatorstrukturen (c-QED) sowie neuartiger Materialien. Unsere kürzlich neuentwickelten Resonatoren weisen extreme Licht-Materie-Kopplungsstärken auf, deren Licht-Materie-Hybridzustände sich über bis zu 6 optische Oktaven von < 0.1 THz bis > 6 THz erstrecken. Als unmittelbares Ziel sehen wir die Erforschung der nichtlinearen Polarisationsdynamik dieser Strukturen, welche unter anderem durch nichtlineares Mischen von Polaritonzuständen, der Erzeugung nicht-klassischer Lichtfelder, dynamisch gequetschte Quantenzustände, Verschränkung von Polaritonmoden sowie der Erzeugung von Vakuumstrahlung charakterisiert ist. Der breite spektrale Bereich und die Hybridisierung vieler Einzelmoden bei extrem starker Kopplung erfordert einen neuen Ansatz für zweidimensionale Hochfeldspektroskopie, bei dem THz-Impulse mit bislang konträren Eigenschaften zum Einsatz kommen: Hohe Spitzenfeldstärken im Bereich mehrerer 100 kV/cm, kürzester Wellenformen bis an das Einzelzyklus-Limit und entsprechend ultrabreitandiger, lückenloser spektraler Bandbreite. Die beantragte Strahlquelle wird es uns erlauben, eine neue Generation zweidimensionaler THz-Spektroskopie durch Kombination verschiedener erst kürzlich etablierter Femtosekundentechnologien einzusetzen. Das auf Yb-Technologie basierende Lasersystem stellt dazu ultrakurze Impulse mit einer Zentralwellenlänge von 1030 nm, Impulsdauern von 500 fs und Impulsenergien von bis zu mehreren mJ bei Repetitionsraten von 100 kHz bis in den MHz-Bereich bereit. Weitere Merkmale sind außergewöhnlich geringes Rauschen von 10^-3 relativer Impulsenergiestabilität, beste Skalierbarkeit und hohe Zuverlässigkeit. Die Laserleistung wir in drei Teile separiert: Ein schwacher Impuls für elektro-optische Detektion sowie zwei starke Impulse, deren Leistung durch akusto-optische Modulatoren schnell variierbar ist. Dieses Design ermöglicht Modulationsraten im Bereich von 1 MHz – deutlich schneller als mechanische Varianten im kHz-Bereich und dementsprechend außergewöhnlich niedrige Rauschuntergründe. Weitere Maßnahmen zur Optimierung des Signal-zu-Rausch-Verhaltens umfassen maßgeschneiderte Detektionselektronik auf FPGA-Basis, die eigens in unserer Gruppe entwickelt wird sowie optische Strahlstabilisierung. Um die hohen THz-Bandbreiten zu erreichen, werden die Laserimpulse mittels nichtlinearer Kompression in Herriot-Zellen auf < 50 fs verkürzt. Diese Impulse erzeugen dann in wassergekühlten, großflächigen spintronischen Emittern breitbandige THz-Strahlung in einem Bereich von 0.1 THz bis > 10 THz – eine bisher für zweidimensionale THz-Hochfeldspektroskopie unerreichte Bandbreite, welche neue Möglichkeiten für die Spektroskopie nichtlinearer Effekte im THz-Bereich eröffnen wird.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Hochleistungs-Ytterbium-Femtosekundenverstärkerlasersystem
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser
• Antragstellende Institution: Technische Universität Dortmund
• Leiter: Professor Dr. Christoph Lange