THz Physik: Grundlagen und Anwendungen

Präsentation zum Thema: "THz Physik: Grundlagen und Anwendungen"—  Präsentation transkript:

1 THz Physik: Grundlagen und Anwendungen
Inhalt: 1. Einleitung 2. Wechselwirkung von THz-Strahlung mit Materie 3. Erzeugung von THz-Strahlung 3.1 Elektronische Erzeugung 3.2 Photonische Erzeugung 3.3 Nachweis von THz-Strahlung 3.4 Nichtlineare Methoden 4. Erzeugung ultrakurzer Pulse (Grundlagen) 5. THz-Optik THz-Zeitbereichs-Spektroskopie 6.1 Komplexer Brechungsindex 6.2 Fouriertransformation 7. Anwendungen

2 Modenkopplung Phasenstarre Kopplung aller Moden führt zur Ausbildung eines ultrakurzen Impulses:

3 Modell zur Modenkopplung
Amplitude des elektrischen Feldes und einhüllende Amplitudenfunktion: E A(T) T A(T) = einhüllende Amplitudenfunktion T = Zeit im mit-bewegten Bezugssystem E = elektrisches Feld

4 Modell zur Modenkopplung
Was charakterisiert ultrakurze Laserpulse?  t = 1 / R Intensität   FWHMb I MAX Zeit Untergrund  t = Puls-zu-Puls-Abstand R = Pulswiederholrate   FWHM = Pulsdauer (volle Halbwertsbreite)

5 Je mehr Moden gekoppelt werden, um so kürzer der Puls

6 Frequenzbild - Zeitbild
Beschreibung im Zeitbild: - Halbwertsbreite Dt - Chirp F(t) (Phasenmodulation der Trägerfrequenz) - spektrale Breite Dn - spektrale Phase f(w) Beschreibung im Frequenzbild: Puls-Bandbreiteprodukt: Konstante ist abhängig von der Pulsform!

7 Analogie zur Heisenbergschen Unschärferelation
Zeit-Bandbreite-Produkt ZBT Bedeutung des ZBT: Analogie zur Heisenbergschen Unschärferelation 1. Fall: Puls heißt „bandbreitenbegrenzt“, d.h. alle enthaltenen Frequenzkomponenten tragen optimal zum kürztmöglichen Puls bei. Ein Gaußscher Laserstrahl würde in Analogie als „beugungsbegrenzt“ bezeichnet. 2. Fall: Puls heißt „phasenmoduliert“ (engl. chirped), d.h. ein Anteil der enthaltenen Frequenzkomponenten trägt zu einer Phasenmodulation des elektrischen Trägerfeldes bei. Der Puls ist also bzgl. seiner Bandbreite nicht optimal kurz ! Typische Werte für c.

8 C.W. und P.W. im Zeit- und Frequenzbild
Kontinuierlicher (c.w.) Laserstrahl: Ultrakurz gepulster (p.w.) Laserstrahl:

9 Lange und kurze Puls im Vergleich
Lange Pulse: Kurze Pulse

10 Farbstoffe – breitbandige Verstärkungsmedien

11 Festkörpermaterialien für breitbandige Verstärkung
Laser power [a.u.]

12 Ein typischer Laseraufbau

13 Bandbreite allein reicht nicht !
Ungekoppelte Moden: Zufällige Phase für jede Mode → Chaos Gekoppelte Moden: → Pulszug Wie erreichen wir eine Phasen-Synchronisierung, d.h. m=0 ?

14 Aktive Modenkopplung Frequenzbild
„Nicht-lineare“ Kombination von NF-Signal mit Hochfrequenz-Trägerwelle (HF) ? Nichtlineare Kennlinie: NF+HF-Welle: Kopplung: Additionstheoreme: Fourier-Trafo: Frequenzumsetzung: NF-Signal in die Nähe vom Träger !

15 Seitenbänder resultieren aus Frequenz-
umsetzung an nichtlinearer Kennlinie:

16 Nichtlineare Modulation
Diodenkennlinie: Taylor-Entwicklung: Nichtlineare Kennlinie: Arbeitspunkteinstellung: Amplitudenmoduliertes Signal nach Filterung

17 Aktive Modenkopplung Im Frequenzraum induziert der Modulator Seitenbänder: wn+wM wn-wM Frequenz w0 Resonator- Moden Jede Mode konkurriert um die Verstärkung mit den Seitenbändern der benachbarten Moden. Der effizienteste Betrieb ergibt sich für gekoppelte Phasen. Das Resultat ist eine globale Kopplung (n gekoppelte Gleichungen). Für Modenkopplung ist sicherzustellen, dass die Modulationsfrequenz wM gleich dem Modenabstand ist, also: wM = 2p/Resonatorumlaufzeit

18 multiple oscillating cavity modes
Modenkopplung multiple oscillating cavity modes wq laser gain profile wq+1 wq-1 losses wq-2 wq+2 wq+3 possible cavity modes Mehrere Moden können gleichzeitig im Resonator oszillieren. Im homogen verbreiterten Lasermedium kommt es zu Konkurrenzprozessen, also zu starken Fluktuationen Energieübertrag durch Modulation führt zu Kopplung und optimaler Ausnutzung der Verstärkung

19 Amplitudenmodulation
Amplitudenmodulator (AM) nutzt elektro-optischen oder akusto-optischen Effekt, um die Resonatorverluste für jede Mode zu modulieren: D.h. ein Modulator multipliziert das Laserlicht (i.e. jede Mode) mit diesem Term, also nichtlinear. Modulator Transmission Zeit cos(wMt)

20 Modenkopplung Zeitbild:
Verstärkung überschreitet Verluste nur für kurze Zeit pro Umlauf ! → zeitliches Tor fürs Laseranschwingen in Form von kurzen Pulsen trotz eines langen Resonators.

21 Ergibt i.d.R. kürzere Pulse als mit aktiver Modenkopplung !?
Passive Modenkopplung Ergibt i.d.R. kürzere Pulse als mit aktiver Modenkopplung !? Ist i.d.R. einfacher zu realisieren !? Ist i.d.R. kostengünstiger ! Der Puls moduliert sich (optisch) selbst und damit keine Abstimmungsprobleme zwischen Elektronik und Optik ! Parameterbereiche häufig enger gesteckt und aufwändigere Justage im Vergleich zur aktiven Modenkopplung

22 P.M. mittels (künstlichem) sättigbarem Absorber
Hohe Intensitätsspitzen (d.h. kurze Pulse) erfahren erfahren weniger Verluste und kommen über die Laserschwelle im Gegensatz zum Untergrund (d.h. lange Pulse)

23 Schneller sättigbarer Absorber

24 Langsamer sättigbarer Absorber
What if the absorber responds slowly (more slowly than the pulse)? Then only the leading edge will experience pulse shortening. This is the most common situation, unless the pulse is many ps long.

25 Sättigung der Verstärkung
The intense spike uses up the laser gain-medium energy, reducing the gain available for the trailing edge of the pulse (and for later pulses).

26 Saturable gain and loss
Lasers lase when the gain exceeds the loss. The combination of saturable absorption and saturable gain yields short pulses even when the absorber is slower than the pulse.

27 Additive-Pulse Mode-Locking (APM)

28 Interferometrische Überlagerung am Strahlteiler
Augenscheinl. Nachteil: Phasensensitive Pulsformung !?

29 Nichtlineare Einflüsse ermöglichen künstliche sättigbare Absorber
Intensitätsabhängiger Brechungindex: führt bei kurzen Pulsen zur Selbstfkoussierung:

30 Kerr-Lens Mode-Locking (KLM)
Identischer Verlust für c.w. und p.w. Hoher Verlust für c.w. Geringer Verlust für p.w. Zusammen mit einer Blende ergeben sich intensitätsabhängige Verluste, welche die Erzeugung von Pulsen bevorzugen.

31