Optical and THz Pulse Parametric Generation in Waveguides

Im Rahmen dieses österreichisch-russischen Gemeinschaftsprojektes schlagen wir eine Reihe von experimentellen und theoretischen Untersuchungen vor, welche auf die Entwicklung von hocheffizienter parametrischer Erzeugung und Verstärkung ultrakurzer Pulse im optischen und Terahertz (THz) Frequenzbereich in Wellenleitern mit einem aktiv gestaltbarem Profil der Dispersion abzielen. Unser Zugang zu hocheffizienter parametrischer Frequenzkonversion ist die Entwicklung von passenden mikrostrukturierten (MS) Wellenleitern, welche auch als "photonische Kristall" Wellenleiter bekannt sind. Der russische Partner wird neuartige Typen von MS Wellenleitern entwickeln und produzieren, welche Breitband Phasenanpassung - eine Vorausetzung für eine verbesserte Konversioneffizienz von ultrakurzen Laserpulsen - für zwei Typen von Laserplattformen ermöglichen sollen: (a) nJ-J Pulsenergie von 100-200 fs Pulsen von Ytterbium Faserlasersystemen, und (b) J-mJ Pulsenergie von 5-50 fs Pulsen von Titan-Saphir Festkörperlaserverstärkern. Der österreichische Partner wird experimentelle Forschung mit Hilfe der Techniken der spektralen Interferometrie (SI) und Variationen von frequenzaufgelöstem optischem gating (FROG) an den neu entwickelten Wellenleitertypen durchführen, um die lineare und nichtlineare Dispersion der Wellenleiter vollständig zu charakterisieren. Mit diesem Projekt werden die langjährige Kompetenz des russischen Partners in der Entwicklung von photonischen Kristallfasern und der Zugang zu Produktionskapazitäten dafür mit der einzigartigen experimentellen Basis des österreichischen Partners, welche eine Reihe von Femtosekundenlasern und Expertise in nichtlinearer Frequenzkonversion im Femtosekundenbereich umfasst, vereint. Die gemeinsamen theoretischen (russischer Partner) und experimentellen (österreichischer Partner) Studien zielen ab auf (i) Entwicklung von Lösungsstrategien für die Dispersionskontrolle für breitbandige Pulsverstimmung und (ii) auf die Entwicklung von Lösungen für die Erzeugung von präzise kontrollierten Pulszügen mit Hilfe von parametrischen Interaktionen in den Wellenleitern. Beides wird dringend gebraucht in vielen Anwendungen des täglichen Lebens wie beispielsweise biomedizinische und chemische Bildgebung, etc. Für die effiziente Erzeugung und Verstärkung von hochintensiven THz Pulsen werden wir das Wellenleiterregime für parametrische Interaktion mit einem THz Puls und einem Femtosekunden optischen Pumpfeld im mJ Bereich ausnützen. Wir werden erforschen ob durch das Zusammenspiel von Wellenleiterdispersion, Plasmadispersion und plasmonische Oberflächenmoden optimale Phasenanpassungsbedingungen für THz Pulsproduktion erreicht werden können oder nicht. Von den plasmonischen Oberflächenmoden erwarten wir, dass sie die Leitung einer THz Welle um ein optisches Filament begünstigen. Beide gleichzeitig für ein gemeinsames Projekt in ihren jeweiligen Ländern ansuchenden Partner können auf eine überprüfbare Kollaborationserfolgsbilanz, welche zu 7 Journalpublikationen seit 2005 und einer Vielzahl von Konferenzpräsentation geführt hat, verweisen. Dieses Projekt, falls bewilligt, würde eine formale Basis für eine offizielle Kollaboration schaffen, die Anstellung von Doktoratsstudenten erlauben und es dadurch den beiden Partnern ermöglichen bahnbrechende Forschung durchzuführen, welche von keinem der beiden Partner alleine bewerkstelligt werden könnte.

In der Grundlagenforschung werden Femtosekundenpulse von wenigen Lichtschwingungszyklen Dauer benutzt um die dynamische Struktur von Molekülen und Festkörpern zeitlich aufzulösen, Elektronenbahnen in Ionisations- und Rekombinationsprozessen zu kontrollieren, neutrale Teilchen zu beschleunigen, etc. Die breiten Spektren solcher Wenig-Zyklen-Pulse eignen sich hervorragend für Detektions- und Fernerkundungsanwendungen, die auf hochaufgelöster Vibrationsspektroskopie basieren, sowie für hochpräzise Atomspektroskopie mittels stabilisierter Frequenzkämme aus modengekoppelten Pulszügen. Die Techniken für die Erzeugung von Wenig-Zyklen-Pulsen nahe den Grundfrequenzen von Femtosekunden-Laserverstärkern im nah-infraroten Spektralbereich sind sehr ausgereift. Wegen der Notwendigkeit nichtlinearer Frequenzverringerung bleibt die effiziente Erzeugung spektral stimmbarer Pulse im mittelinfraroten und Terahertz-Spektralbereich dennoch eine große Herausforderung. Die Arbeit zahlreicher Forschungsgruppen an der Entwicklung langwelliger Femtosekundenlaser wird motiviert durch den Bedarf an kohärenten Lichtquellen für das Vermessen spektroskopischer Fingerabdrücke von Molekülen mittels Vibrationen (mittelinfrarot) und Rotationen (Terahertz). In Starkfeldanwendungen wird das Interesse an langwelligen Laserpulsen durch eine Reihe wellenlängen-abhängiger Skalierungen hervorgerufen, sowie durch die Kontrollierbarkeit von Regimen der Photoionisation über die Wellenlänge. In dem abgeschlossenen bilateralen Projekt hat das gemeinsame Team aus Partnern des Inst. f. Photonik (TU Wien) und der Moskauer Staatlichen Lomonossov-Universität an der Erforschung neuer Regime für die nichtlineare optische Erzeugung langwelliger Laserpulse gearbeitet. Die Hauptaspekte, die während der Projektdauer angegangen wurden betrafen a) die mikroskopische Natur der der nichtlinearen Frequenzkonversion zugrundeliegenden Nichtlinearität und b) die Verbesserung der Konversionseffizienz durch den Einsatz einer (selbst-) wellenleitenden Geometrie. Wir haben die kürzlich vorgeschlagene effiziente Erzeugung von Terahertz-Pulsen mittels nicht-streuender Bahnen von feldionisierten Elektronen in einem asymmetrischen Laserfeld erforscht. Die Haupterrungenschaft des Projektes ist die Demonstration frequenz-stimmbarer Terahertz-Pulse, die aus der Mischung zweier optischer Frequenzen mit nicht-ganzzahligem Verhältnis resultiert, wobei die Überlagerung der zwei oszillierenden Felder erlaubt, die Zeitpunkte der Ionisation sowie die darauf folgenden Bahnen der freigesetzten Elektronen zu steuern. Um die technischen Voraussetzungen für die Terahertz-Frequenz-Stimmbarkeit zu schaffen, haben wir erfolgreich eine Reihe technologischer Herausforderungen gemeistert, die mit der Erzeugung der beiden verschiedenfarbigen optischen Felder sowie der gegenseitigen Kopplung ihrer sogenannten Träger-Einhüllenden-Phasen verbunden waren. Bei der Untersuchung der wellenleitenden Geometrie gelang uns die erste Demonstration von Femtosekunden-Filamenten in Gas mit mittel-infraroten Wenig-Zyklen-Pulsen. Wir haben ebenso gezeigt, dass in eine akkurate Beschreibung der Erzeugung niedriger Harmonischer in Luft höhere Nichtlinearitäten als konventionell erwartet einbezogen werden müssen. Die gesamte experimentelle Arbeit mit Hochintensitäts-Pulsen wurde in Wien durchgeführt, während die theoretische Modellierung in Moskau stattfand.