Femtosekundenlaser für die ultraschnelle Röntgenbeugung und Ultrakurzzeitspektroskopie (Teil II)

• Fachliche Zuordnung: Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung in 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 556781583

Zwei zuverlässige Femtosekunden-Lasersysteme mit hoher Repetitionsrate und hoher mittlerer Leistung werden benötigt, um einerseits einen einzigartigen Aufbau zur Röntgenbeugung mit atomarer Längen- und Zeitauflösung (Ultrafast X-ray Diffraction - UXRD) zu betreiben und ande-rerseits verschiedene Methoden der Ultrakurzzeitspektroskopie unter identischen Anregungs-bedingungen zu ermöglichen. So werden quantitative Experimente zur Kopplung des Elektronensystems von hybriden Nanosystemen mit Phononen, Molekülschwingungen und Spinanregungen Realität. Insgesamt soll die neue Laserinfrastruktur das bestehende Portfolio von UXRD, transienter Absorption vom fernen Infrarot bis in den ultravioletten Spektralbereich über transiente magnetooptische Kerr-Effekt Messungen (tr-MOKE) bis hin zur zeitaufgelösten Brillouinstreuung aufrechterhalten und für eine Weiterentwicklung in Richtung Raman-Streuung und höchste Zeitauflösung zukunftsfähig machen. Die verschiedenen Experimente wurden über viele Jahre hinweg an zwei Lasersystemen entwickelt, die nach über 15 Jahren intensiver Nutzung einem natürlichen Ende ihrer Lebensdauer entgegengehen. Die beiden hier beantragten Lasersysteme sollen die wesentlichen Parameter (Pulsenergie, Pulsdauer, Stabilität) mit moderner und zuverlässiger Lasertechnologie so weiterentwickeln, dass die Zeitauflösung und das Signal-zu-Rausch Verhältnis für eine Reihe neuartiger Experimente erheblich verbessert werden. Insbesondere sollen in allen Pump-Probe Experimenten (auch bei UXRD) Anregungspulse vom fernen Infrarot über mittleres Infrarot bis zum sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich selektiv bestimmte Anregungen durchführen: Vibrationen, Magnonen, Phononen und Plasmonen. Das UXRD-Femtosekunden-Lasersystem wird in das bestehende hochkomplexe kombinierte UXRD / trMOKE Labor integriert. Es muss sub 40 fs Pulse bei einer Zentralwellenlänge von etwa 800 nm und einer Wiederholrate von 1 kHz mit einer mittleren Leistung von insgesamt >14 W zur Verfügung stellen. Die Leistung muss in zwei Ausgängen gleichzeitig und synchronisiert >9 und >5 W betragen. Pump-Pulse >5 mJ bei 800 nm werden benötigt, um durch nichtlineare Frequenzkonversion durchstimmbare infrarote und sichtbare Pumppulse mit hoher Intensität zu erzeugen. Das zweite Femtosekunden Lasersystem wird die vielfältigen bestehenden Aufbauten im Ultrakurzzeit-Spektroskopielabor erheblich weiterentwickeln. Wegen der Vergleichbarkeit mit den UXRD Messungen sind möglichst identische Pulsparameter notwendig: Sub 40 fs, 800 nm, >5 kHz, >6 W mit mindestens 1 mJ pro Puls. Hier wird die 5 fach höhere Repetitionsrate wegen des verbesserten Signal-zu-Rausch Verhältnisses bevorzugt, während noch ausreichend Energie für Frequenzkonversion von Pump-Pulsen zur Verfügung steht. Das System ist ideal, um in Zukunft z.B. in optischen Hohlfasern sub 10 fs Pulse zu erzeugen, die besonders für Ramanstreuung an hochfrequenten Schwingungen oder für die kurze Lebensdauer von Plasmonen relevant sind.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Femtosekundenlaser für die ultraschnelle Röntgenbeugung und Ultrakurzzeitspektroskopie (Teil II)
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser
• Antragstellende Institution: Universität Potsdam
• Leiter: Professor Dr. Matias Bargheer