Lasersystem für zeitaufgelöste THz Spektroskopie

• Fachliche Zuordnung: Chemische Festkörper- und Oberflächenforschung
• Förderung: Förderung in 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 553761309

THz Spektroskopie ist ein vielseitiges Werkzeug zur Untersuchung verschiedener physikalischer Phänomene mit geringer Photonenenergie, z.B. die Dynamik freier Ladungsträger, Plasmonen oder Zyklotron-Bewegungen. Ein großer Durchbruch für die THz Spektroskopie war die Entwicklung von Lasersystemen mit extrem kurzer Pulsdauer vor ca. vier Dekaden. Wenn ein Laserpuls mit einer Dauer von weniger als 100 fs auf einen Halbleiter trifft, werden Ladungsträger vom Valenz- in das Leitungsband angeregt. Durch eine angelegte Bias-Spannung werden die Ladungsträger anschließend stark beschleunigt, was zur Emission eines kurzen THz Pulses führt. Diese Methode kann invers verwendet werden, um den THz Puls wieder zu messen. Die spektrale Zusammensetzung des Pulses lässt sich über die Fourier-Transformation berechnen. In unserer Arbeitsgruppe hatten wir bis vor kurzem ein Ti:Saphir-Lasersystem für zeitaufgelöste THz Messungen, allerdings mussten wir das System außer Betrieb nehmen, da der Pumplaser an Leistung verloren hat und keine Messungen mehr möglich waren. Die Hauptkomponenten des Lasers sind bereits über 20 Jahre alt, sodass eine Reparatur des Systems nicht wirtschaftlich ist. Daher beantragen wir ein neues, verstärktes Lasersystem, dass eine Pulsenergie von über 1 mJ bei einer Pulsdauer von weniger als 50 fs zur Verfügung stellt. Dies ist erforderlich um starke THz-Pulse zu erzeugen, wie sie für die zeitaufgelöste THz-Spektroskopie erforderlich sind. Die Pulsdauer ist hierbei direkt mit der spektralen Breite der möglichen THz Pulse verbunden, daher sind die kurzen Pulse Voraussetzung für breitbandige Spektroskopie. Um Experimente mit hohem Signal-zu-Rausch Verhältnis zu ermöglichen, streben wir eine Wiederholrate von über 10 kHz an. Die Wellenlänge muss im Nahinfrarot-Bereich sein um THz Pulse effizient erzeugen und messen zu können. Hier beantragen wir ein System das auf einem Ytterbium-Laser basiert und femtosekunden Pulse bei einer Wellenlänge von 1030 nm bereitstellt, da diese Systeme einen einfachen und stabilen Betrieb erlauben. Da diese Laser allerdings von Natur aus eher schmalbandig sind, liegt die Pulsdauer üblicherweise bei 200 fs oder mehr. Nichtlineare Kompressoren ermöglichen jedoch relativ einfach diese Pulsdauer deutlich auf unter 50 fs zu reduzieren. Da dieses Lasersystem als Ersatz für den defekten Laser gedacht ist, steht der Messaufbau bereit und es sind nur kleinere Anpassungen nötig, z.B. neue Spiegel und nichtlineare Kristalle. Mit diesem Lasersystem möchten wir unsere erfolgreichen Untersuchungen an einer Vielzahl unterschiedlicher Materialsysteme fortsetzen, z.B. in Bi2Te3, dünnen Bi-Filmen, Graphen-Plasmonen und Weitere.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Lasersystem für zeitaufgelöste THz Spektroskopie
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser
• Antragstellende Institution: Universität Duisburg-Essen
• Leiter: Professor Dr. Martin Mittendorff