Femtosekundenlasersystem mit optisch parametrischem Verstärker zur Wellenlängenabstimmung (VIS-MIR)

• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung in 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 566741331

Das Femtosekundenlasersystem bestehend aus einem Femtosekundenlaser und einem angeschlossenen Optischen Parametrischem Verstärker mit Differenzfrequenzstufe soll zur Untersuchung verschiedener nichtlinear optischer Frequenzkonversionsprozesse vom sichtbaren bis in den mittleren Infrarotbereich hinein verwendet werden. Dabei soll seine Wellenlängenabstimmbarkeit eingesetzt werden, um verschiedene Resonanzen gezielt anzuregen und die auftretende resonante Verstärkung der nichtlinearen Prozesse für analytische Zwecke oder zur Effizienzsteigerung der Frequenzgeneration zu nutzen. So soll die Abhängigkeit der Dispersion der nichtlinearen Suszeptiblität von SiOx, SiNx von der genauen chemischen Zusammensetzung dieser Materialien untersucht werden, um optimale Bedingungen für deren Einsatz in der nichtlinearen Photonik zu finden. Insbesondere werden auch die durch das Anlegen eines starken elektrischen Feldes in diesen amorphen Materialien künstlich induzierten nichtlinear optischen Prozesse 2. Ordnung (wie z.B. die feldinduzierte Summen- und Differenz-frequenzerzeugung) weiter erforscht. Darauf aufbauend sollen dann Wellenleiter aus diesen Materialien und aus As2S3 hergestellt werden, um diese aktiven optischen Prozesse auch auf einem photonischen Chip zu etablieren. Ziel ist es, die Photonenpaarerzeugung via feldinduzierter spontaner Abwärtskonversion in phasenangepassten Wellenleitern aus diesen amorphen Materialien zu demonstrieren. Durch Kombination mit klassischen SOI-Wellenleitern könnte so eine Plattform für integrierte hybride Si-Photonik entstehen, in der sowohl klassische Fre-quenzkonversionsprozesse 3. Ordnung (z.B. Vier-Wellen-Mischen) wie auch die feldinduzier-ten Prozesse 2. Ordnung (Summen-/Differenzfrequenzerzeugung) auf demselben chip stattfinden können und die als Quelle von Photonenpaaren für Experimente der Quantenoptik und Quantenkommunikation Bedeutung gewinnt. Daneben soll das Femtosekundenlasersystem zur Aufklärung von Reaktionsmechanismen an Elektrodenoberflächen während elektrochemischer Reaktionen eingesetzt werden. Dazu soll ein Experiment zur Summenfrequenzerzeugung etabliert werden, bei dem ein MIR-Puls des Femtosekundenlasersystems auf die Schwingungsfrequenz des interessierenden Moleküls abgestimmt wird und zusammen mit einem Laserpuls kürzerer Wellenlänge auf die Elektrodenoberfläche trifft. Sind die Moleküle an der Oberfläche gebunden, kann dies durch eine resonante Verstärkung des generierten Summenfrequenzsignals beobachtet werden. So sollen z.B. die einzelnen Zwischenprodukte der elektrochemischen Reduktion von CO2 zu höherwertigen chemischen Verbindungen (wie z.B. grünen Kraftstoffen) weiter aufgeklärt werden. Schließlich soll das Lasersystem auch für die schnelle, single-shot Materialstrukturierung via Ablation und die Erzeugung von selbstorganisierten Oberflächengittern (LIPSS) eingesetzt werden. Dazu soll über die Wellenlängenabstimmbarkeit eine ganze Reihe gewünschter Perioden gezielt realisiert werden.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Femtosekundenlasersystem mit optisch parametrischem Verstärker zur Wellenlängenabstimmung (VIS-MIR)
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser
• Antragstellende Institution: Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
• Leiter: Professor Dr. Jörg Schilling