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.