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THz Physik WS15/16 Inhalt: 1.Einleitung 2. Wechselwirkung von THz-Strahlung mit Materie 3. Erzeugung von THz-Strahlung 3.1 Elektronische Erzeugung 3.2.

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1 THz Physik WS15/16 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 6.THz-Zeitbereichs-Spektroskopie 6.1 Komplexer Brechungsindex 6.2 Fouriertransformation 7. Anwendungen THz Physik: Grundlagen und Anwendungen

2 THz Physik WS15/16 Phasenstarre Kopplung aller Moden führt zur Ausbildung eines ultrakurzen Impulses: Modenkopplung

3 THz Physik WS15/16 E = elektrisches Feld T = Zeit im mit-bewegten Bezugssystem A(T) = einhüllende Amplitudenfunktion 0 E T A(T) Amplitude des elektrischen Feldes und einhüllende Amplitudenfunktion: Modell zur Modenkopplung

4 THz Physik WS15/16 Was charakterisiert ultrakurze Laserpulse? Zeit  t = 1 / R   FWHMb I MAX 0 Intensität Untergrund  t = Puls-zu-Puls-Abstand R = Pulswiederholrate   FWHM = Pulsdauer (volle Halbwertsbreite) Modell zur Modenkopplung

5 THz Physik WS15/16 Je mehr Moden gekoppelt werden, um so kürzer der Puls

6 THz Physik WS15/16 Frequenzbild - Zeitbild - Halbwertsbreite  t - Chirp  (t) (Phasenmodulation der Trägerfrequenz) - spektrale Breite  - spektrale Phase  ) Puls- Bandbreiteprodukt: Beschreibung im Zeitbild: Beschreibung im Frequenzbild: Konstante ist abhängig von der Pulsform!

7 THz Physik WS15/16 Zeit-Bandbreite-Produkt ZBT 1. Fall: 2. Fall: Puls heißt „bandbreitenbegrenzt“, d.h. alle enthaltenen Frequenzkomponenten tragen optimal zum kürztmöglichen Puls bei. Ein Gaußscher Laserstrahl würde in Analogie als „beugungsbegrenzt“ bezeichnet. 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 ! Analogie zur Heisenbergschen Unschärferelation Bedeutung des ZBT: Typische Werte für c.

8 THz Physik WS15/16 C.W. und P.W. im Zeit- und Frequenzbild Kontinuierlicher (c.w.) Laserstrahl: Ultrakurz gepulster (p.w.) Laserstrahl:

9 THz Physik WS15/16 Lange und kurze Puls im Vergleich Lange Pulse: Kurze Pulse

10 THz Physik WS15/16 Farbstoffe – breitbandige Verstärkungsmedien

11 THz Physik WS15/16 Festkörpermaterialien für breitbandige Verstärkung Laser power [a.u.]

12 THz Physik WS15/16 Ein typischer Laseraufbau

13 THz Physik WS15/16 Bandbreite allein reicht nicht ! Gekoppelte Moden: → Pulszug Ungekoppelte Moden:Zufällige Phase für jede Mode → Chaos Wie erreichen wir eine Phasen-Synchronisierung, d.h.  m =0 ?

14 THz Physik WS15/16 „Nicht-lineare“ Kombination von NF-Signal mit Hochfrequenz-Trägerwelle (HF) ? Fourier-Trafo: Nichtlineare Kennlinie: NF+HF-Welle: Kopplung: Additionstheoreme: Frequenzumsetzung: NF-Signal in die Nähe vom Träger ! Aktive Modenkopplung Frequenzbild

15 THz Physik WS15/16 Seitenbänder resultieren aus Frequenz- umsetzung an nichtlinearer Kennlinie:

16 THz Physik WS15/16 Nichtlineare Modulation Diodenkennlinie: Taylor-Entwicklung: Nichtlineare Kennlinie: Arbeitspunkteinstellung: Amplitudenmoduliertes Signal nach Filterung

17 THz Physik WS15/16 Aktive Modenkopplung Für Modenkopplung ist sicherzustellen, dass die Modulationsfrequenz  M gleich dem Modenabstand ist, also:  M =  /Resonatorumlaufzeit 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). Im Frequenzraum induziert der Modulator Seitenbänder:  n  M  n  M Frequenz 00 Resonator- Moden

18 THz Physik WS15/16 Modenkopplung Mehrere Moden können gleichzeitig im Resonator oszillieren. multiple oscillating cavity modes qq laser gain profile  q+1 q1q1 losses  q   q+2  q+3 possible cavity modes Im homogen verbreiterten Lasermedium kommt es zu Konkurrenzprozessen, also zu starken Fluktuationen Energieübertrag durch Modulation führt zu Kopplung und optimaler Ausnutzung der Verstärkung

19 THz Physik WS15/16 Amplitudenmodulation D.h. ein Modulator multipliziert das Laserlicht (i.e. jede Mode) mit diesem Term, also nichtlinear. Amplitudenmodulator (AM) nutzt elektro-optischen oder akusto-optischen Effekt, um die Resonatorverluste für jede Mode zu modulieren: Modulator Transmission Zeit cos(  M t )

20 THz Physik WS15/16 Verstärkung überschreitet Verluste nur für kurze Zeit pro Umlauf ! → zeitliches Tor fürs Laseranschwingen in Form von kurzen Pulsen trotz eines langen Resonators. Zeitbild: Modenkopplung

21 THz Physik WS15/16 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 THz Physik WS15/16 Hohe Intensitätsspitzen (d.h. kurze Pulse) erfahren erfahren weniger Verluste und kommen über die Laserschwelle im Gegensatz zum Untergrund (d.h. lange Pulse) P.M. mittels (künstlichem) sättigbarem Absorber

23 THz Physik WS15/16 Schneller sättigbarer Absorber

24 THz Physik WS15/16 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 THz Physik WS15/16 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 THz Physik WS15/16 Saturable gain and loss The combination of saturable absorption and saturable gain yields short pulses even when the absorber is slower than the pulse. Lasers lase when the gain exceeds the loss.

27 THz Physik WS15/16 Additive-Pulse Mode-Locking (APM)

28 THz Physik WS15/16 Interferometrische Überlagerung am Strahlteiler Augenscheinl. Nachteil: Phasensensitive Pulsformung !?

29 THz Physik WS15/16 Nichtlineare Einflüsse ermöglichen künstliche sättigbare Absorber Intensitätsabhängiger Brechungindex: führt bei kurzen Pulsen zur Selbstfkoussierung:

30 THz Physik WS15/16 Kerr-Lens Mode-Locking (KLM) Zusammen mit einer Blende ergeben sich intensitätsabhängige Verluste, welche die Erzeugung von Pulsen bevorzugen. Identischer Verlust für c.w. und p.w. Hoher Verlust für c.w. Geringer Verlust für p.w.

31 THz Physik WS15/16


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