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Die Stoppuhren der Forschung: Femtosekundenlaser
Stephan Winnerl
Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung
Foschungszentrum Rossendorf
Inhalt
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
Elementare Prozesse in einem Zwei-Niveau-System
E1
E1
E1
E0
E0
E0
Absorption
Spontane
Emission
Stimulierte
Emission
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation:
LASER
Stimulierte Emission
angeregte
Elektronen
einfallendes
Photon
ausgesendete
Photonen
c
Bedingung für Resonatormoden: ν n = n
2L
Bedingung für Laserbetrieb: Gewinn > Verlust
continuous wave (cw) Laser (Dauerstrichlaser)
ν0 ± n
gepulster Laser
Modenkopplung
ν rep =
c
2L
c
2L
Femtosekunden Laser
Zeit - Bandbreite Produkt :τ ∆ν ≥ k
vgl. Zeit - Energie Unschärferelation
Femtosekunden Laser
Beispiel:
λ0 = 800 nm
t = 100 fs ∆λ = 10 nm
t = 5 fs
∆λ = 200 nm
Welches Lasermedium?
Zeit - Bandbreite Produkt :τ ∆ν ≥ k
vgl. Zeit - Energie Unschärferelation
Ti:Saphir Laser
Femtosekunden passiv modengekoppelter Ti:Saphir-Laser
Aktive Modenkopplung: „zu langsam“
⇒ passive Modenkopplung über optische Nichtlinearität
Kerr Effekt: n(r,t)=n0+n2I(r,t)
⇒ intensitätsabhängiger Brechungsindex
⇒ Kerr Linse ⇒ Selbstfokussierung hoher Intensitäten
Gauss‘sches Intensitätsprofil
⇒ Modenkopplung, Unterdrückung des cw Anteils
Dispersionskompensation
Problem: Dispersion n(λ)
Puls läuft auseinander
(„chirp“)
Dispersionskompensation
Prismensequenz
„chirped mirrors“
Messung kurzer Pulse durch Autokorrelation
Schnellste Elektronik (einige ps) ist zu langsam
⇒ Autokorrelationsmessung
8
15
FWHM=16 fs
spectral intensity (a.u.)
1 µm ≅ 3 fs
SHG-Signal (normalized)
∆λ=60 nm
10
6
5
0
700
4
800
wavelength(nm)
900
2
0
-75
-50
-25
0
25
50
Time Delay (fs)
Frequenzverdopplung P(2ω ) = χ (2) E1 (ω ) E2 (ω )
+∞
2. Ordnung Korrelationsfunktion I 2 (∆t ) =
2
[
E
(
t
)
+
E
(
t
+
∆
t
)
]
∫
−∞
2
dt
75
Neue Frequenzen durch nichtlineare optische Prozesse
Summenfrequenz-Erzeugung:
Spezialfall: Frequenzverdopplung
ω1
χ(2)
ω3
ω2
ω3 = ω1 + ω2
k3 = k1 + k2
Parametrische Generation:
ω1
χ(2)
ω2
ω3
ω1 = ω2 + ω3
k1 = k2 + k3
Kurzpulslaser amlasers
FZR
Ultrashort-pulsed
Ultrashort-pulsed lasers
100 000
U27
cw power (mW)
Ti:sa.
OPA
100
10
1
0.1
10
wavelength (µm)
100
OPA
10
U27
new U
FEL
1
DFG2
0.1
DFG2
1
Ti:sa amp
pulse energy (µJ)
FEL
10 000
1000
new U
1000
Ti:sa.
100
0.01
1
10
wavelength (µm)
100
Die Zeitskala für Anregungen in Halbleitern
E
Leitungsband
750 nm ≅ 2.5 fs ≅ 400 THz
Zum Vergleich:
Das Universum ist ca. 10 Mrd. Jahre = 3·1017 s alt!
Valenzband
k
Prinzip eines Anrege-Abfrage-Experiments (pump-probe)
Abfragepuls
Probe
∆t
Abfragepuls
∆t
Anregepuls
Anregepuls
Der Abfragepuls sieht die durch den Anregepuls veränderten
optischen Eigenschaften der Probe. ∆t wird variiert.
Aufbau eines Anrege-Abfrage-Experiments (pump-probe)
∆t
∆R (∆t ) ∆R[ 011] (∆t ) − ∆R[ 01 1 ] (∆t )
=
R0
R0
4r41n03
= 2
∆E z (∆t )
n0 − 1
Indikatrix in der
(100) Ebene
⊗ Ez
Experiment: fs-Anregung an einer Halbleiteroberfläche
Luft
Halbleiter
EC
EF
+
EV
T. Dekorsy et al., PRB 47, 3842 (1993)
THz-Emission (InGaAs Oberflächenemitter)
In G a A s e m itte r
1 .5
4
THz amplitude [arb. units]
1x10
∆I/I
∆I/I0
1 .0
0 .5
0 .0
-0 .5
0
1
2
3
T im e d e la y [p s ]
4
10
-1
10
-3
10
-5
10
-7
0
2
4
6
F re q u e n c y [T H z ]
Ausblick auf das Anwendungsspektrum von fs-Lasern
Spektroskopie an Halbleiter-Quantenstrukturen
Erforschung von chemischen Reaktionen
Quantenkryptographie
Medizinische Anwendungen, insbesondere Augenund Zahn-OP
Optische Kohärenztomographie
Beispiel für Bildgebungsverfahren i.d.
Medizin: in-vivo, nicht-invasiv
Bild der Innenseite einer Unterlippe
Zusammenfassung
Erzeugung ultrakurzer Laserpulse
breitbandiges 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
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.pdf
bietet 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.html
Etwas ausführlichere unter:
http://www.pro-physik.de/Phy/pdfs/ISSART12536DE.PDF
Als Einstieg zu den medizinischen Anwendungen möchte ich
http://www.ltb.fta-berlin.de/info_6.html
und
http://www.fgsw.uni-stuttgart.de/fst/presse/unterseiten/statements/weigl/texte/Weigl_Medizin.pdf
nennen.