Intensive, verstimmbare, schmalbandige THz-Quellen

Der THz-Frequenzbereich spielt eine entscheidende Rolle in der Materialanalyse und der materialspezifischen Bildgebung, aber auch in der Untersuchung grundlegender Phänomene im Zusammenhang mit der Dynamik von Atomen, Molekülen und Festkörpern, wie sie beispielsweise durch starke Laserpulse hervorgerufen wird. Die Entwicklung von spezialisierten Quellen im THz-Bereich ist daher eine wichtige Disziplin. Eine besondere Herausforderung stellt die Entwicklung von effizienten Quellen im 0,5-5 THz-Bereich mit Bandbreiten unter 0,1 THz und Energien im zweistelligen Mikrojoulebereich dar. Derzeit können schmalbandige Pikosekunden-THz-Pulse mit durchstimmbarer Frequenz und derart hohen Pulsenergien nur in Großanlagen wie in free-electron lasern erzeugt werden. Hingegen ist die spektrale Helligkeit von THz-Pulsen, wie sie am Labortisch durch Frequenzwandlung von verstärkten Laserpulsen erzeugt werden können, notorisch niedrig. Dies bedingt unter anderem, dass eine effiziente spektral aufgelöste Detektion eine Herausforderung darstellt und sogar für die Charakterisierung einfacher, linearer Phänomene wie THz-Absorption auf komplizierte Kreuzkorrelationstechniken auf der Grundlage von elektrooptischer Abtastung zurückgegriffen werden muss. Das Hauptziel dieses bilateralen Projekts ist die Entwicklung von Erzeugungsmethoden für frequenzverstimmbare schmalbandige THz Pulse mit ausreichender Energie für die bolometrische Detektion auf der Grundlage eines Femtosekunden-Nahinfrarot-Laserverstärkers gepaart mit nichtlinearer optischer Frequenzgleichrichtung. Der Nachweis der Leistungsfähigkeit der entwickelten THz-Quellen soll durch ihren Einsatz in verschiedenen Experimenten erbracht werden. Geplant sind Experimente zur linearen THz-Absorptionsspektroskopie, erweitert um Multiphotonenanwendungen wie molekularer Orientierung, zur intensitätsabhängigen Rabi-Frequenz-Verstimmung von Proben in Fabry- Perot-Hohlräumen, sowie zu stimulierter Raman-Streuung. Die Entwicklung der beschriebenen THz-Quellen erfolgt parallel in den österreichischen und ungarischen Partnerteams. Untersucht werden sollen mehrere Strategien basierend auf der optischen Inter- und Intra-Puls-Gleichrichtung von Laserpulsen, welche mit programmierbaren ultraschnellen regenerativen Laser-Verstärkern im nahen Infrarot erzeugt werden. Ein Ansatz basiert auf der kürzlich von beiden Partnern gemeinsam demonstrierten Methode der Burst-Verstärkung mit THz-Wiederholungsrate in einem regenerativen Vernier-Verstärker. Ein anderer Ansatz verfolgt eine selbstreferenzierte durchstimmbare THz-Erzeugung mit zwei asynchronen Verstärkern unter Anwendung von spektraler Fokussierung. Der erfolgreiche Abschluss dieses Projekts wird den Weg für neue Ansätze in der Sensorik, Licht-Materie-Wechselwirkung und der Kontrolle chemischer Prozesse ebnen.