CEP-stabilisiertes Hochleistungs-Ultrakurzpuls-Lasersystem

Die Friedrich-Schiller Universität Jena beabsichtigt für Ihre wissenschaftliche Tätigkeit den Kauf eines CEP stabilisiertes Hochleistungs Ultrakurzpuls Lasersystem. Ultrakurzpulslaser mit Pulsdauern im Bereich von 100 fs sind mittlerweile in vielen Forschungslaboren etabliert und zu unverzichtbaren Werkzeugen geworden. Jedoch erst extrem kurze Pulsdauern kleiner 10 fs erlauben es, atomare bzw. molekulare Vorgänge wie z. B. chemische Reaktionen oder Thermalisierungsprozesse zeitaufgelöst zu analysieren oder gezielt zu beeinflussen. Es ergeben sich damit zahlreiche, noch nicht verstandene Möglichkeiten, die Wechselwirkung von ultrakurzen Lichtpulsen mit Nanostrukturen, Molekülen und sogar einzelnen Atomen zu untersuchen und zu steuern. Bei diesen sog. few cycle Pulsen ist eine Beschreibung der Pulse nur auf Basis der Einhüllenden jedoch nicht mehr ausreichend. Vielmehr ist das elektrische Feld und die absolute Phasenlage (sog. Carrier Envelope Phase CEP) für die LichtMaterieWechselwirkung entscheidend. Deshalb soll am Institut für Angewandte Physik IAP) in Jena ein CarrierEnvelopePhase (CEP) stabilisiertes Ultrakurzpuls Lasersystem installiert werden, das sowohl hohe Pulsenergien und hohe mittlere Leistungen als auch die Möglichkeit der zeitlichen und spektralen Pulsformung gestattet. Das System soll den verschiedenen Arbeitsgruppen unterschiedliche Untersuchungen und Applikationen ermöglichen. Insbesondere werden folgende Themen adressiert: 1. Untersuchungen zum Einfluss der CEP und der spektralen wie zeitlichen Pulseigenschaften auf photoinduzierte Tunneleffekte, ultraschnelles Schalten und nichtlinear optische Effekte (wie z.B. effiziente Frequenzkonversion) in großflächigen resonanten Nanostrukturen. Dafür werden phasenstabilisierte Lichtpulse im NIR (ca. 800 nm) mit einer Pulslänge kleiner 10 fs benötigt. Die Repetitionsrate muss zur Unterscheidung zwischen langsamen thermischen und schnellen elektronischen Effekten von Einzelschuss bis mindestens 100 kHz einstellbar sein. 2. Der CEP-stabilisierte bzw. zeitlich wie spektral geformte Lichtpuls soll zur Steuerung chemischer Reaktionen in Gasen sowie in photokatalytischen Systemen genutzt werden. Mit dem im Lasersystem ebenfalls erzeugten Probem Puls wird eine zeit und ortsaufgelöste, quantitative Analyse der Reaktionsprodukte mittels CARS-Spektroskopie (CARS Coherent Anti-Stokes Ra-man Scattering) ermöglicht. Damit alle Zwischenprodukte der untersuchten Reaktion im Spektrum sichtbar sind, muss der Pump-Puls eine spektrale Breite größer 4.200 cm-1 haben. Der zeit-lich synchronisierte Probe-Puls ist bei einer signifikant kürzeren Wellenlänge (515 nm) mit einer spektralen Breite von 10 cm-1 parametrisiert, was die spektrale Auflösung der Messung definiert. 3. In 2D-Materialien sollen durch PumpProbeExperimente grundlegende Untersuchung zur raumzeitlichen Dynamik der freien Ladungsträger durchgeführt werden. Die Thermalisierungszeit dieser Systeme liegt im Bereich der Pulsdauer des beantragten Systems (ca. 10fs). Durch Variation der CEP soll außerdem der Zusammenhang der geometrischen Symmetrie der Strukturen mit der zeitlichen Symmetrie des Pulses untersucht werden. Das Großgerät wird also entsprechend dem zugrundeliegenden Förderantrag von verschiedenen Gruppen für unterschiedliche Applikationen genutzt. Die geforderten Spezifikationen beeinflussen sich aber teilweise gegenseitig. Höchste Priorität hat die CEP Stabilität und die Möglichkeit zur definierten Einstellung/Verstellung der CEP zur Kontrolle verschiedener Prozess, wie Steuerung von Elektronen, Frequenzkonversion, wie auch Umwandlungsprozessen von Treibhausgasen. Priortät 2 sind die Spezifikationen, die sich aus den Anforderungen für ultrabreitband CARS Messungen ergeben. Systeme mit den hier geforderten Spezifikationen werden inzwischen von verschiedenen Lieferanten angeboten. Zur zeitlichen und spektralen Modulation der im OPCPA erzeugten Lichtpulse muss ein sogenannter SLM in die OPCPA Verstärkerkette integriert werden. Hieraus ergeben sich potenzielle Risiken bzgl. der Einhaltung der CEP-Stabilitätsspezifikationen und es bestehen hierzu noch keine umfangreichen Erfahrungen bei den potenziellen Systemlieferanten. Zur bestmöglichen Absicherung der Spezifikationen soll das beschriebene System deshalb möglichst produktnah also ohne integrierten SLM aufgebaut werden und der SLM nur alternativ umschaltbar im System integriert werden.