Licht-induzierte Zustände und adiabatische Passage für nicht-linear optische Prozesse bei hohen Intensitäten

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Halfmann
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 281149176

Mit diesem Fortsetzungsantrag sollen die in (GZ entfernt) begonnenen Arbeiten zur Frequenzkonversion mittels kohärent-adiabatischer Wechselwirkungen über atomare Mehrphotonen-Resonanzen weiter entwickelt werden. Ziel ist es, die bei moderaten Intensitäten wohl-etablierten Konzepte kohärenter Wechselwirkungen in den Bereich der nicht-linearen Optik bei hohen Intensitäten zu transferieren. Hierzu werden licht-induzierte Zustände (“dressed states“) und adiabatische Passage genutzt. Diese sind besonders robust bzgl. Fluktuationen experimenteller Parameter und können mit kurzen Laser-Pulsen noch moderater Bandbreite zur selektiven Nutzung atomarer Resonanzen implementiert werden.Kohärent-adiabatische Prozesse über atomare Resonanzen funktionieren gut, wenn das Lichtfeld die Stärke des Coulomb-Feldes im Atom nicht überschreitet – und dann die Struktur der Energieniveaus stark modifiziert oder zerstört. Andererseits erfordert effiziente, nicht-lineare Optik möglichst intensive, ultra-kurze Laser-Pulse. In diesem Fall wird die Struktur der Energieniveaus und die spektrale Linienform von Übergängen stark modifiziert, z.B. durch dynamische (AC) Stark-Verschiebungen, die leicht mehrere THz pro TW/cm² Intensität erreichen. Die Anwendung von Resonanz-Überhöhungen und adiabatischer Passage bei hohen Intensitäten erfordert daher die Kontrolle von Stark-Verschiebungen.Wie(GZ entfernt) demonstriert, spielen Resonanzen und “dressed states” auch noch bei erstaunlich hohen Laser-Intensitäten über 10 TW/cm² (d.h. wenn der Keldysh-Parameter γ sich 1 nähert) eine große Rolle. Im Fortsetzungsantrag sollen kohärent-adiabatische Techniken im Hinblick auf Effizienz, Robustheit und Anwendbarkeit weiterentwickelt, sowie alternative Verfahren basierend auf „dressed states“ und adiabatischer Passage zur Überhöhung der Frequenzkonversion bei hohen Intensitäten entwickelt werden. Ferner soll untersucht werden, wie sich die kohärent-adiabatische Quantendynamik bei noch höheren Laser-Intensitäten ändert (d.h. wenn die Wechselwirkung stark wird, bei Keldysh-Parametern γ<1). So können Erkenntnisse zur Dynamik von Resonanzen beim Übergang vom der perturbativen zur starken Wechselwirkung gewonnen werden.Die Untersuchungen sollen grundsätzliche Fragen beantworten: Wo sind die Grenzen für Anwendungen der kohärent-adiabatischen Quantendynamik über Resonanzen? Wie weit kann die Laser-Intensität erhöht werden, so daß es noch immer möglich ist, Resonanzen und die Quantendynamik über „dressed states“ und adiabatische Prozesse zu nutzen? Wie verändern sich solche Prozesse, wenn das Lichtfeld beginnt die Stärke des Coulomb-Felds zu überschreiten? Welche Kontroll-Techniken eignen sich bei hohen Intensitäten? Welche Möglichkeiten gibt es, laser-induzierte Verschiebungen und Verbreiterungen von Resonanzen zu kompensieren? Das Projekt soll damit die grundsätzliche Rolle von Resonanzen (egal ob „bare“ oder „dressed states“) bei der Frequenzkonversion im Bereich hoher Intensitäten klären.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen