Femtosekunden mid-IR Filamenten in Gasen und Festkörpern

In diesem Projekt soll die Filamentierung von Femtosekundenlasern in Gasen und Festkörpern im Bereich von Wellenlängen im mittleren Infrarot (mid-IR) untersucht werden. Die Erweiterung der Filamentierung von Femtosekundenlasern in den genannten spektralen Bereich ist ein sehr neuer Forschungsbereich, welcher grundlegend neue Perspektiven für vielfältige wichtige Anwendungsbereiche verspricht, wie beispielsweise hochauflösende standoff Spektroskopie der Atmosphäre, stark-Feld (Attosekunden-) Spektroskopie von Atomen und Molekülen und die Erzeugung von starker Terahertz-Strahlung. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt hat weltweit ausschließlich die Gruppe an der Technischen Universität Wien die mid-IR Hochleistungslaser, die notwendig sind um Filamentierung zu erreichen. Dies stellt für den Antragsteller eine einzigartige Lage dar, diese wegweisende Forschung durchzuführen. Eines der Schwerpunkte dieses Projekts ist eine vollständige spektrale, räumliche und zeitliche Charak-terisierung des Superkonitinuums, welches im mid-IR Filament erzeugt wird. Solch ein einzigartiges, sich über mehrere Oktaven erstreckendes Superkontinuums bietet die Möglichkeit, Laserpulse mit nur wenigen optischen Zyklen in verschiedenen spektralen Bereichen vom sichtbaren bis hin zum mittleren Infrarotbereich zu erzeugen. Im Gegensatz zu den gutuntersuchten Filamenten im sichtbaren oder nahen Infrarotbereich bedingt Filamentierung im mittleren Infraroten intrinsisch direkte und stufenweise Erzeugung von vielfachen Harmonischen. Diese parametrischen Wellenmischprozesse und deren Einfluss auf die Erzeugung des spektralen Kontinuums und die Filament-Dynamik sind Thema dieses Projekts. Einige der grundlegenden physikalischen Phänomene von Femtosekunden-Filamentierung und verschiedenen Anwendungen von Laserfilamenten, sind Gasionisation und Plasmaerzeugung. Die Vermessung der Plasmaparametern im mittleren Infrarotbereich ist eine weitere Aufgabenstellung des Projekts. Dies erlaubt es, Einblick in die komplexe, der Filamentierung im mittleren Infraroten zugrunde liegenden, Dynamik zu erhalten und die Rolle des Plasmas während der Ausbildung des Filaments zu entschlüsseln. Filamentierung in Festkörpern mit Lasern im mittleren Infrarotbereich verläuft in einem sehr neuen Bereich charakterisiert durch anomale Gruppengeschwindigkeitsdispersion bei dem nichtlineare räumliche Dynamik stark an die zeitliche soliton-artige Transformation des Laserfelds gekoppelt ist. Im Vergleich zum nahen Infrarotbereich ermöglicht der mittlere Infrarotbereich einzigartige Möglichkeiten bezüglich der Erforschung von Photoionisation im Bereich von Tunnelionisation und Fehlstellenbildung in Festkörpern. Erfolg in diesem Projekt wird großen Einfluss auf verschiedene Forschungsgebiete im Bereich nichtlinearer Optik und Plasmaphysik haben. Mit dem erworbenen Wissen über die spektralen Eigenschaften der Ultrabreitbandstrahlung im mid-IR Filament kann ein einzigartiger optischer Mehrfarben-Versuchsaufbau für zeitaufgelöste Anregungs-Abfrage Spektroskopie aufgestellt werden. Die Möglichkeit, KeV-Energien von Elektronen durch die Erzeugung höherer Harmonischer mit langen Wellenlängen zu erreichen, macht mid-IR Laserpulse mit wenigen optischen Zyklen - generiert durch spektrale Verbreiterung innerhalb des Filaments - extrem wichtig für kompakte Röntgenstrahlungsquellen mit Attosekundenpulsdauer. Das in mid-IR Filamenten erwartete heiße und stark anisotropes Plasma ist eine sehr attraktive Voraussetzung für die Erzeugung von hocheffizienten Terahertz-Strahlungsquellen und zudem sehr wichtig für atmosphärische Plasmachemie.

Femtosekunden-Filamentierung ist ein faszinierendes Phänomen extremer nichtlinearer Optik, das vor rund 20 Jahren als Nebenprodukt der Entwicklung leistungsstarker Ultrakurzpulslasersysteme entdeckt wurde. Die Beobachtung dieses Phänomens und die anschließende experimentelle Arbeit im Nahinfrarot-Spektralbereich wurde erst mit der Erfindung der chirped-pulse amplification möglich, die 2018 mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet wurde, und der Implementierung dieser Verstärkungsmethode in Titan- Saphir-Lasersystemen mit einer Wellenlänge von 800 nm. Im Gegensatz dazu entwickelte das österreichische Team am Institut für Photonik der TU Wien intensive Kurzpuls- Laserquellen, die bei einer deutlich längeren Wellenlänge von 4 m arbeiten und auch in Bezug auf Spitzenleistung im mittleren Infrarot-Spektralbereich weltweit führend sind. Im Rahmen dieses eigenständigen FWF-Projekts hat unsere Gruppe ihre einzigartige, proprietäre Laserquelle dazu benutzt um Starkfeldprozesse, eines unserer Kerninteressen, zu studieren. Das wichtigste vorgeschlagene und erfolgreich erreichte Ziel dieser Forschung war die Untersuchung des quadratischen Wellenlängenskalierungseffekts in verschiedenen Filamentierungsprozessen. Dadurch hat das Projekt hat zu einer Reihe bahnbrechender Entwicklungen auf dem Gebiet der Femtosekunden-Filamentierung geführt. Es ist uns beispielsweise gelungen, ein neuartiges Regime der filamentierungs-unterstützten Selbstkomprimierung von Pulsen im sogenannten solitonischen Ausbreitungsbereich in anomal dispersiven Festkörpern und Gasen zu identifizieren und experimentell und theoretisch zu charakterisieren. Dies hat zur Erzeugung von rekord-brechenden Impulsen mit einer Spitzenleistung von nahezu 1-Terawatt im mittleren Infrarot-Spektralbereich geführt. Die wichtigste Eigenschaft des entdeckten Regimes ist die Möglichkeit, Pulse mit einer Spitzenleistung, welche jene für die kritische Leistung für die Selbstfokussierung um drei Größenordnungen übersteigt, durch feste Materialien übertragen zu können. Bei kürzeren Wellenlängen würden Strahlen, die diese kritische Leistung überschreiten, in mehrere Filamente aufbrechen und der Laserstrahl würde seine kohärenten Eigenschaften verlieren. Im neuen, in diesem Projekt entwickelten Regime, ist es nun möglich, eine solche Aufspaltung durch ein Zusammenspiel von Dispersion und Nichtlinearität zu umgehen, was einen äußerst attraktiven Weg für die Skalierung der Spitzenleistung durch Filamentierung eröffnete. Wir berichten auch von mehreren spannenden Durchbrüchen bei der Bildung und Übertragung von hochenergetischen Filamenten durch die Umgebungsluft. Dies ist besonders wichtig, da die internationale Forschungsgemeinschaft sich zahlreiche Vorteile von der Entwicklung von langwelligen Laserstrahlen erwartet, da mit diesen im Prinzip die Transmission von sehr energiereichen Lichtpulsen über große Entfernungen in einem Strahl von sehr kleinem Durchmesser möglich sein sollte, ohne die Strahlqualität und Strahlhelligkeit durch Strahlaufbruch und Beugung zu beeinträchtigen. Wir konnten dementsprechend in der Tat die Bildung und Ausbreitung von zeitlich und räumlich invarianten "Lichtgeschoßen" in verschiedenen charakteristischen Regimen über Entfernungen von ca. 10 m, begrenzt durch die Größe des Laserlabors, nachweisen. Dabei ist jedoch anzumerken, dass die tatsächlichen Mechanismen, die für die Bildung und Ausbreitung solcher Geschoße verantwortlich sind, sehr stark von den theoretischen Vorhersagen führender internationaler Experten abweichen, und dass eine Vielzahl zusätzlicher Effekte im Zusammenhang mit der linearen und nichtlinearen Wechselwirkung mit Luftmolekülen berücksichtigt werden müssen. Von entscheidender Bedeutung für die Weiterentwicklung des breiteren Forschungsfeldes sind auch unsere Ergebnisse zur Femtosekunden-Filamentierung in der Luft bei 4 m, die keine offensichtliche Beteiligung von Plasma zeigen. Obwohl nach diesem Projekt das Fehlen von transienten Plasmaeffekten noch durch zusätzliche Studien mit ergänzenden Methoden bestätigt werden muss, geht aus unseren wegweisenden Studien bereits hervor, dass Mittelinfrarot- Filamentierung mit völlig anderen physikalischen Mechanismen realisiert werden kann, als man aufgrund des gut dokumentierten Filamentierungsverhalten im Nahinfrarot- Spektralbereich erwarten könnte.