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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.
