CEP-stabilisiertes Hochleistungs-Ultrakurzpuls-Lasersystem

• Fachliche Zuordnung: Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung in 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 506452342

Ultrakurzpulslaser mit Pulsdauern im Bereich von 100 fs sind mittlerweile in vielen Forschungslaboren etabliert und zu unverzichtbaren Werkzeugen geworden. Jedoch erst extrem kurze Pulsdauern kleiner 10 fs erlauben es, atomare bzw. molekulare Vorgänge wie z.B. chemische Reaktionen oder Thermalisierungsprozesse zeitaufgelöst zu analysieren oder gezielt zu beeinflussen.Es ergeben sich damit zahlreiche, noch nicht verstandene Möglichkeiten, die Wechselwirkung von ultrakurzen Lichtpulsen mit Nanostrukturen, Molekülen und sogar einzelnen Atomen zu untersuchen und zu steuern. Bei diesen sog. few cycle Pulsen ist eine Beschreibung der Pulse nur auf Basis der Einhüllenden jedoch nicht mehr ausreichend. Vielmehr ist das elektrische Feld und die absolute Phasenlage (sog. Carrier Envelope Phase – CEP) für die Licht-Materie-Wechselwirkung entscheidend.Deshalb soll am Abbe Center of Photonics in Jena ein Carrier-Envelope-Phase (CEP)-stabilisiertes Ultrakurzpuls-Lasersystem installiert werden, das sowohl hohe Pulsenergien und hohe mittlere Leistungen als auch die Möglichkeit der zeitlichen und spektralen Pulsformung gestattet. Das System soll den verschiedenen Arbeitsgruppen unterschiedliche Untersuchungen und Applikationen ermöglichen. Insbesondere werden folgende Themen adressiert:1. Untersuchungen zum Einfluss der CEP und der spektralen wie zeitlichen Pulseigenschaften auf photoinduzierte Tunneleffekte, ultraschnelles Schalten und nichtlinear optische Effekte (wie z.B. effiziente Frequenzkonversion) in großflächigen resonanten Nanostrukturen. Dafür werden phasenstabilisierte Lichtpulse im NIR (ca. 800nm) mit einer Pulslänge kleiner 10 fs benötigt. Die Repetitionsrate muss zur Unterscheidung zwischen langsamen thermischen und schnellen elektronischen Effekten von Einzelschuss bis mindestens 50 kHz einstellbar sein.2. Der CEP-stabilisierte bzw. zeitlich wie spektral geformte Lichtpuls soll zur Steuerung chemischer Reaktionen in Gasen sowie in photokatalytischen Systemen genutzt werden. Mit dem im Lasersystem ebenfalls erzeugten Probe-Puls wird eine zeit- und ortsaufgelöste, quantitative Analyse der Reaktionsprodukte mittels CARS-Spektroskopie (CARS – Coherent Anti-Stokes Raman Scattering) ermöglicht. Damit alle Zwischenprodukte der untersuchten Reaktion im Spektrum sichtbar sind, muss der Pump-Puls eine spektrale Breite größer 4.200cm-1 haben. Der zeitlich synchronisierte Probe-Puls ist bei einer signifikant kürzeren Wellenlänge (515nm) mit einer spektralen Breite von 10cm-1 parametrisiert, was die spektrale Auflösung der Messung definiert.3. In 2D-Materialien sollen durch Pump-Probe-Experimente grundlegende Untersuchung zur raumzeitlichen Dynamik der freien Ladungsträger durchgeführt werden. Die Thermalisierungszeit dieser Systeme liegt im Bereich der Pulsdauer des beantragten Systems (ca. 10fs). Durch Variation der CEP soll außerdem der Zusammenhang der geometrischen Symmetrie der Strukturen mit der zeitlichen Symmetrie des Pulses untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: CEP-stabilisiertes Hochleistungs-Ultrakurzpuls-Lasersystem
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser
• Antragstellende Institution: Friedrich-Schiller-Universität Jena
• Leiter: Professor Dr. Stefan Nolte