Die Stoppuhren der Forschung: Femtosekundenlaser · LASER L c n n 2 Bedingung für Resonatormoden:...
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Die Stoppuhren der Forschung: Femtosekundenlaser Stephan Winnerl Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung Foschungszentrum Rossendorf
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Die Stoppuhren der Forschung: Femtosekundenlaser
Stephan WinnerlInstitut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung
Foschungszentrum Rossendorf
Femtosekunden Laserpulse (1 fs = 10-15s) Grundlagen und praktische Realisierung
Die Anrege-Abfrage (pump-probe) Technik in der Femtosekunden-Spektroskopie Untersuchung der Dynamik von Ladungsträgern und
Gitterschwingungen in Halbleitern
Zusammenfassung und Ausblick
Inhalt
Elementare Prozesse in einem Zwei-Niveau-System
E1
E0
Absorption
E1
E0
Spontane Emission
StimulierteEmission
E1
E0
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation: LASER
Lcnn 2
=νBedingung für Resonatormoden:
Bedingung für Laserbetrieb: Gewinn > Verlustausgesendete
angeregte Elektronen
PhotoneneinfallendesPhoton
Stimulierte Emission
Lc
rep 2=ν
0νLcn
2±
continuous wave (cw) Laser (Dauerstrichlaser)
Modenkopplung
gepulster Laser
relation UnschärfeEnergie- Zeitvgl. :Produkt Bandbreite-Zeit k≥∆ντ
Femtosekunden Laser
relation UnschärfeEnergie- Zeitvgl. :Produkt Bandbreite-Zeit k≥∆ντ
Beispiel:λ0 = 800 nmt = 100 fs ∆λ = 10 nmt = 5 fs ∆λ = 200 nm
Welches Lasermedium?
Femtosekunden Laser
Ti:Saphir Laser
Gauss‘sches Intensitätsprofil
Kerr Effekt: n(r,t)=n0+n2I(r,t)⇒ intensitätsabhängiger Brechungsindex
Aktive Modenkopplung: „zu langsam“ ⇒ passive Modenkopplung über optische Nichtlinearität
⇒ Kerr Linse ⇒ Selbstfokussierung hoher Intensitäten⇒ Modenkopplung, Unterdrückung des cw Anteils
Femtosekunden passiv modengekoppelter Ti:Saphir-Laser
Problem: Dispersion n(λ)Puls läuft auseinander („chirp“)
Dispersions-
kompensationPrismensequenz
„chirped mirrors“
Dispersionskompensation
Schnellste Elektronik (einige ps) ist zu langsam⇒ Autokorrelationsmessung
-75 -50 -25 0 25 50 75
0
2
4
6
8FWHM=16 fs
∆λ=60 nm
SH
G-S
igna
l (no
rmal
ized
)
Time Delay (fs)
700 800 9000
5
10
15
wavelength (nm)
spec
tral
inte
nsity
(a.u
.)
)()()P(2 rdopplungFrequenzve 21(2) ωωχω EE=
[ ] dtttEtEt2
22 )()()(I nsfunktionKorrelatio Ordnung 2. ∫
+∞
∞−
∆++=∆
1 µm ≅ 3 fs
Messung kurzer Pulse durch Autokorrelation
Neue Frequenzen durch nichtlineare optische Prozesse
Summenfrequenz-Erzeugung:Spezialfall: Frequenzverdopplung
χ(2)
ω2
ω1 ω3 ω3 = ω1 + ω2
k3 = k1 + k2
Parametrische Generation:
χ(2)
ω1
ω3
ω2 ω1 = ω2 + ω3
k1 = k2 + k3
1 10 1000.1
1
10
100
1000
10 000
100 000
1 10 1000.01
0.1
1
10
100
1000
wavelength (µm)
wavelength (µm)
Ti:sa amp
Ti:sa.
Ti:sa.OPA
OPA
FEL
DFG2
DFG2
U27
U27
new U
new U
cw p
ow
er (
mW
)
puls
e en
erg
y (
µJ)
Ultrashort-pulsed lasersUltrashort-pulsed lasersKurzpulslaser am FZR
FEL
Die Zeitskala für Anregungen in Halbleitern
750 nm ≅ 2.5 fs ≅ 400 THz
Valenzband
Leitungsband
k
E
Zum Vergleich:Das Universum ist ca. 10 Mrd. Jahre = 3·1017 s alt!
Probe
Anregepuls
Abfragepuls
∆t
Prinzip eines Anrege-Abfrage-Experiments (pump-probe)
Der Abfragepuls sieht die durch den Anregepuls veränderten optischen Eigenschaften der Probe. ∆t wird variiert.
AbfragepulsAnregepuls
∆t
Indikatrix in der(100) Ebene
⊗ Ez)(1
4
)()()(
20
3041
0
]101[]011[
0
tEnnr
RtRtR
RtR
z ∆∆−
=
∆∆−∆∆=
∆∆
∆t
Aufbau eines Anrege-Abfrage-Experiments (pump-probe)
Luft Halbleiter
EV
ECEF
+
-
Experiment: fs-Anregung an einer Halbleiteroberfläche
T. Dekorsy et al., PRB 47, 3842 (1993)
0 1 2 3 4-0 .5
0.0
0.5
1.0
1.5
1x104
∆I/I
T im e de lay [ps]
0 2 4 610
-7
10-5
10-3
10-1
InG aA s em itte r
TH
z a
mp
litu
de
[a
rb.
un
its]
F requency [TH z]
∆I/I 0
THz-Emission (InGaAs Oberflächenemitter)
Spektroskopie an Halbleiter-Quantenstrukturen
Erforschung von chemischen Reaktionen
Quantenkryptographie
Medizinische Anwendungen, insbesondere Augen-und Zahn-OP
Ausblick auf das Anwendungsspektrum von fs-Lasern
Optische KohärenztomographieBeispiel für Bildgebungsverfahren i.d. Medizin: in-vivo, nicht-invasivBild der Innenseite einer Unterlippe
Erzeugung ultrakurzer Laserpulsebreitbandiges Verstärkungsmedium: Titan:Saphir
passive Modenkopplung: Kerr-Effekt
Dispersionkontrolle: Prismen, chirped mirrors
Umsetzen der Laserfrequenzen mit Hilfe von
nichtlinearen optischen Effekten
Experimente mit Femtosekundenlasern
Die Anrege-Abfrage-Technik
Anregungen an Halbleiteroberflächen
Ausblick auf weitere Anwendungen
Zusammenfassung
Anhang: Internetseiten zum Thema
Abschließend möchte ich ein paar Internetseiten zum Thema angeben. Leider sind die Adressen der Seiten oft sehr lang. Am besten suchen Sie selbst nach den Stichworten, die Sie am meisten interessieren. Die Datei: http://www.fgsw.uni-stuttgart.de/fst/dateien/fstgesamt/3sat_der_meisel_fuer_die_nanowelt.pdfbietet eine kurze Übersicht über die Anwendungsgebiete von Femtosekundenlasern.
Kurze Informationen zur Untersuchung chemischer Reaktionen mit Femtosekundenlasern gibt es unter:http://www.weltderphysik.de/themen/quanten/licht/laser/femtosekundenlaser/Etwas ausführlichere unter:http://www.pci.uni-heidelberg.de/pci/fpraktikum/ss00/Woerl.pdf
Informationen zur Quantenkryptographie finden sich z.B. unter:http://www.innovations-report.de/html/berichte/preise_foerderungen/special-2363.htmlEtwas ausführlichere unter:http://www.pro-physik.de/Phy/pdfs/ISSART12536DE.PDF
Als Einstieg zu den medizinischen Anwendungen möchte ichhttp://www.ltb.fta-berlin.de/info_6.htmlundhttp://www.fgsw.uni-stuttgart.de/fst/presse/unterseiten/statements/weigl/texte/Weigl_Medizin.pdfnennen.
