Mittel-infrarote Einzel-Zyklen Nichtlineare Optik

Die Attosekundenphysik entwickelt Werkzeuge und Methoden um die Dynamik von Elektronen in Atomen, Molekülen und anderen stark eingegrenzten Quantensystemen zu beobachten und zu kontrollieren, die natürlicherweise auf der Attosekunden-Zeitskala (1 as = 10-18 s) stattfindet. Die Basistechnologie dieses Feldes ist die Erzeugung von Laserpulsen mit kontrollierter Wellenform im Starkfeld-Regime, d.h. mit elektrischem Feld von vergleichbarer Stärke zu demjenigen, das Valenzelektronen an ihre Atome bindet. Das Verkürzen der Einhüllenden des Laserpulses zu einer Dauer nahe einer Periode seiner Trägerwelle führt in das extreme Regime der Einzel-Zyklen nichtlinearen Optik, in dem die Tunnelionisation, mit der die Laser-Materie- Wechselwirkung startet, effektiv auf ein Attosekunden-Zeitfenster rund um die stärkste Feldspitze begrenzt ist. Bisher ist dieses Einzel-Zyklen-Regime der nichtlinearen Optik erreichbar mit Träger-Wellenlängen im sichtbaren bis B-infraroten Bereich (0.7-1.8 m). Der Drang zu immer längeren Träger-Wellenlängen , d.h. in den mittel-infraroten Bereich (2.46 m), ist einer der vorherrschenden aktuellen Trends in der Attosekundenphysik aufgrund der viel höheren erreichbaren kinetischen Energie der Laser-getriebenen Elektronen und der resultierenden Möglichkeit, Attosekunden-Röntgenpulse mit viel höheren Photonenenergien und immer kürzerer Dauer Pulsdauer zu erzeugen. In diesem Projekt werden wir eine Methode für die Erzeugung von Einzel-Zyklen-Pulsen anwenden, die sich von den üblicherweise verwendeten Methoden zur Laser-Postkompression abhebt durch ihre erstaunliche Einfachheit und ihre Skalierbarkeit in den mittel-infraroten Bereich. Mit dieser Methode, Puls-Selbstkompression in einer speziellen Kagome-Hohlkern photonischen-Kristallfaser mit großem Hohlkern, der mit einem Edelgas als nichtlinearem optischen Medium gefüllt ist, wurde kürzlich in unserem Labor demonstriert, dass ultrakurze B- infrarote Pulse mit einigen zehn Mikrojoule Energie in einem einzigen Schritt eine 20-fache Selbstkompression erfahren, mit derüber den gesamten Strahldurchmessereine sub-Zyklen Pulsdauer und Gigawatt Spitzenleistung am Faserausgang erreicht werden. Wir werden diese Methode skalieren um zum ersten Mal hochqualitative Einzel-Zyklen mittel- infrarote Pulse zu erzeugen und zu charakterisieren. Wir werden dann die erzeugte Leistung und Pulsstabilität optimieren um die Pulse so nutzbar zu machen für die Erzeugung von Attosekunden-Röntgenpulsen. Basierend auf diesem Meilenstein werden wir dann eine Quelle isolierter Attosekundenpulse mit Photonenenergien von mindestens 200 eV entwickeln und charakterisieren. Diese Quelle wird in einen bisher für isolierte Attosekundenpulse unzugänglichen Spektralbereich hineinreichen und damit neue Anwendungen an Röntgen- Absorptionskanten ermöglichen. Ausserdem wird diese Attosekundenpuls-Quelle beispiellos kompakt und einfach sein, ermöglicht durch die hohe schon im Faserkern erreichte Intensität und eine geschicktes differentielles Pump-Schema.

Die Attosekundenphysik entwickelt Werkzeuge und Methoden um die Dynamik von Elektronen in Atomen, Molekülen und anderen stark eingegrenzten Quantensystemen zu beobachten und zu kontrollieren, die natürlicherweise auf der Attosekunden-Zeitskala (1 as = 10^18 s) stattfindet. Die Basistechnologie dieses Feldes ist die Erzeugung von Laserpulsen mit kontrollierter Wellenform im Starkfeld-Regime, d.h. mit elektrischem Feld von vergleichbarer Stärke zu demjenigen, das Valenzelektronen an ihre Atome bindet. Das Verkürzen der Einhüllenden des Laserpulses zu einer Dauer nahe einer Periode seiner Trägerwelle führt in das extreme Regime der Einzel-Zyklen nichtlinearen Optik, in dem die Tunnelionisation, mit der die Laser-Materie-Wechselwirkung startet, effektiv auf ein Attosekunden-Zeitfenster rund um die stärkste Feldspitze begrenzt ist. Bisher ist dieses Einzel-Zyklen-Regime der nichtlinearen Optik erreichbar mit Träger-Wellenlängen im sichtbaren bis B-infraroten Bereich (0.7-1.8 m). Der Drang zu immer längeren Träger-Wellenlängen , d.h. in den mittel-infraroten Bereich (2.4-6 m), ist einer der vorherrschenden aktuellen Trends in der Ultrakurzpuls-Lasertechnik. In diesem Projekt wurde eine Kombination von Methoden für die Erzeugung von extrem kurzen Lichtpulsen angewandt welche von nur wenigen Feld-Schwingungen bestehen. Mit der Methode der parametrischen Frequenzwandlung, wurde zuerst die Träger-Wellenlänge von einem nahen infraroten Laser in den mittel infraroten Bereich verschoben. Zwei unterschiedliche Lasersysteme wurden dafür ausgebaut um schrittweise hohe Puls-Energie erst bei der Wellenlänge von 3.2 m zu erreichen mit Hilfe von KTP/KTA Kristallen und danach die zentrale Wellenlänge weiter in den 5-6 m Bereich mit dem Einsatz von ZGP Kristallen zu verschieben. Mit der Methode für die Puls-Postkompression in unterschiedlichen neuartigen Hohlfasern wurden danach Lichtpulse komprimiert um für diese Wellenlängen Rekord-Spitzenleistungen von einigen 100 GW zu erreichen. Mit diesen neu entwickelten Laser-Quellen wurden bisher unzugängliche Regimes für die zeitliche und räumliche Entwicklung von starken Laserfeldern unter überwiegenden Bedingungen von Tunnel-Ionisation in der Luft und in Festkörpern untersucht. Darunter wurden neue Mechanismen für optisch-nichtlineare Selbst-Komprimierung wie auch die Möglichkeit einer beugungsfreien Verbreitung von energetischen mittel-infraroten Pulse im Gas identifiziert. Die überwiegenden Vorteile vom Starkfeld-Betreib im mittel Infraroten Bereich wurden in den Experimenten an der Erzeugung von sekundärer Strahlung im Terahertz Frequenz-Bereich im durch den mittel Infraroten Laser angeregten Plasma bewiesen.