Neue Methoden zur Effizienzerhöhung bei der Erzeugung und Verstärkung ultrakurzer Impulse im Vakuum Ultraviolett mittels gestreckter parametrischer Vierwellenmischung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projekts wurden neue Methoden zur Erzeugung von Femtosekunden Impulsen im Vakuum und Extremen Ultraviolett Bereich theoretisch untersucht. Eine spezifische Aufgabenstellung war dabei, die physikalischen Bedingungen und Voraussetzungen für die Realisierung einer höheren Umwandlungseffizienz, einer sehr kleinen Impulsdauer bis in den Bereich unterhalb von 10fs sowie einer hohen Impulsenergie zu studieren. Dabei wurden folgende Ergebnisse erzielt: (1) Es wurde eine neue Methode zur Quasi-Phasenanpassung in Gasen untersucht, die auf der Nutzung stehender Ultraschallwellen beruht. Dabei wird durch eine räumliche periodische Modulation des Druckes bzw. der Teilchenzahldichte auch eine periodische Modulation der nichtlinearen Suszeptibilitäten des Gases erzeugt. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigten, dass diese Methode zu einer Effizienzerhöhung bis zu 2 Größenordnungen führen und sowohl für Pumpimpulse bei 800nm als auch bei 400nm mit Energien vom mJ Bereich bis in den Joule Bereich verwendet werden kann. Bei Verwendung von gestreckten (chirped) Pumpimpulsen bei 400nm lassen sich dadurch sub-20fs Impulse bei 133nm ohne Kompensation der Phasenmodulation erzeugen. (2) Im Rahmen des Projekts wurde im Bereich hoher Pumpintensitäten die kombinierte Wirkung der Nichtlinearität gebundener Zustände und des Tunnelionisationsstromes (Brunel Effekt) bei der Erzeugung von Harmonischen niedriger Ordnung untersucht. Es wurde gezeigt, dass in Argon eine optimale Intensität von 100TW/cm2 zu einer maximale Effizienz führt, wobei die Nichtlinearität gebundener Zustände die dominierende Rolle spielt, während für Intensitäten ab 300TW/cm2 der Tunnelionisationsstrom dominiert. Weiterhin wurde vorausgesagt, dass VUV Impulse bei 133nm mit einer relativ hohen Effizienz von 1.5x10 -3 durch 400nm Impulse erzeugt werden können. (3) Es wurde die Erzeugung von Harmonischen niedriger Intensität direkt aus einem Laseroszillator durch Ausnutzung der plasmonischen Feldüberhöhung von metallischen Nanostrukturen in der Nähe von Edelgasmolekülen untersucht. Dabei wurden in Erweiterung des Lewenstein Models der HHG die starken Inhomogenitäten in den „hot spots“ der plasmonisch überhöhten Feldstärke und der Einfluss der metallischen Oberflächen der Nanostrukturen berücksichtigt. Unsere Berechnungen zeigten eine Ausstrahlung sowohl ungerader als auch gerader höherer Harmonischer und eine Erweiterung der kurzwelligen Grenze der HHG (cut off) um mehr als einen Faktor zwei infolge der Erhöhung der Elektronenenergie durch die Inhomogenität des Feldes in den „hot spots“. (4) Es wurde der Mechanismus der Erzeugung von THz Strahlung durch Zwei-Farben Impulse in einem Gas untersucht, der zuvor in der Literatur kontrovers diskutiert wurde. In Kooperation mit auswärtigen Wissenschaftlern haben wir gezeigt, dass die Emission von THz Strahlung in Gasen mit dem stufenförmigen Anwachsen der Plasmadichte bei jedem Maximum der Feldstärke infolge des Tunnelcharakters der Ionisation zusammenhängt. Dadurch werden neue Möglichkeiten für eine Formung der THz Spektren in einem Bereich von 100 THz durch Kontrolle der Ionisationsereignisse mittels der Frequenzen von zwei -Farben Impulse eröffnet. (5) Es wurden die Möglichkeiten zur Nutzung von Hohlkern Photonischen Kristallfasern (HC-PCF) zur VUV Impulserzeugung untersucht. Es wurde gezeigt, dass in solchen Wellenleitern neben einem Superkontinuum sehr hoher Leistung innerhalb des Spektrums ein sehr intensives Seitenband im VUV erzeugt wird, wodurch die Erzeugung von sub-10fs VUV Impulsen hoher Energie möglich ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “High-power soliton-induced supercontinuum generation and tunable sub-10fs VUV pulses from kagome lattice hollow core photonic crystal fibers”, Opt. Express 18, 5367 (2010)
S-J Im, A. Husakou and J. Herrmann
- “Tailoring THZ radiation by controlling tunnelling photoionization events in gases” ,New Journal of Physics 13, (2011) 123029
I. Babushkin, S. Skupin, A. Husakou, C. Köhler, E. Canbrera-Granado, L. Berge, J. Herrmann
- “Theory of plasmon-enhancement of high-order harmonic generation in the vicinity of metal nanostructures in noble gases”, Phys. Rev. A 83, 04443839 (2011)
A. Husakou, S-J Im and J. Herrmann
- “Ouasi-phasematching for third harmonic generation in noble gases emplying ultrasound”, Opt. Exp.20, 22753-2016 (2012)
U. K. Sapaev, I. Babushkin and J. Herrmann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/OE.20.022753) - Combined action of the bound-electron nonlinearity and tunnel-ionization current in low-order harmonic generation in noble gases”, Optics Express 21, 25582 (2013)
Usman Sapaev, Anton Husakou and Joachim Herrmann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/OE.21.025582)
