ab-initio description of optical nonlinearities in femtosecond filaments
Final Report Abstract
Ultrakurze Laserpulse bei hohen optischen Feldstärken verändern die optischen Eigenschaften transparenter Dielektrika. Dies führt mittelbar zu einer nichtlinearen Selbstwechselwirkung optischer Pulse, die zur Erzeugung optischer Superkontinua oder zur Pulskompression ausgenutzt werden kann. Im Rahmen des hier dargestellten Projekts wurden fundamentale Fragestellungen der Licht-Materie-Wechselwirkung quantenmechanisch behandelt. Dazu wird die zeitabhängige Schrödingergleichung betrachtet, die die Zeitentwicklung der atomaren Wellenfunktion im Laserfeld beschreibt. Bei moderaten Laserintensitäten kann die Schrödingergleichung störungstheoretisch behandelt werden. In niedrigster Ordnung sowie fernab von Resonanzen führt die Störungstheorie auf eine intensitätsabhängige Modifikation des Brechungsindexes im Medium, den sogenannten optisch-optischen Kerr-Effekt. Moderne gepulste Laserquellen sind jedoch mittlerweile in der Lage, ultrakurze Laserpulse mit Spitzenleistungen von einigen Terawatt zu erzeugen. Mit solchen Pulsen können in gasförmigen Medien sogenannte Femtosekunden-Filamente erzeugt werden, nahezu divergenzfreie Lichtbündel mit optischen Feldstärken vergleichbar den atomaren Feldstärken im Coulomb-Potential. Bei derart hohen Feldstärken versagt die störungstheoretische Betrachtung der Licht-Materie-Wechselwirkung. Es setzt Ionisation ein und nichtperturbative Effekte wie dynamische Resonanzen treten auf, die aus der Verschiebung der atomaren Energieniveaus im starken Laserfeld herrühren (AC-Stark Effekt). Solche Effekte lassen sich nur durch entsprechende nichtperturbative Methoden behandeln, wie die direkte numerische Integration der zeitabhängigen Schrödingergleichung. Im Rahmen des Projekts wurde dabei ein einfaches, phänomenologisches Modell für die Intensitätsabhängigkeit des Brechungsindexes entwickelt, welches die Existenz dynamischer Resonanzen berücksichtigt. Für die Simulation der optischen Propagation von Femtosekunden-Pulsen in Filamenten, basierend auf den makroskopischen Maxwell-Gleichungen, sind solche phänomenologischen Modelle für die nichtlineare optische Response unerlässlich, da die direkte numerische Simulation der zeitabhängigen Schrödingergleichung zur Berechnung der induzierten Polarisations- und Stromdichten zu rechenintensiv ist. Neben der nichtlinearen optischen Response in gasförmigen Medien wurde zudem die zeitliche Polarisationsdynamik in kristallinen Festkörpern theoretisch untersucht und mit experimentellen Resultaten verglichen, die am Max-Born-Institut sowie am Institut für Quantenoptik an der LU Hannover erzielt wurden. Die Ergebnisse dieser Kooperation sind für die zeitlich aufgelöste Messung ultrakurzer optischer Pulse von hoher Relevanz und ermöglichten zudem einen Einblick in die zeitlich nichtinstantane Polarisationsdynamik von Titandioxid. Die gemessene nichtlineare Antwortzeit von einigen wenigen Femtosekunden ist dabei eine der kürzesten, die bisher in Kristallen experimentell bestimmt werden konnten.
Publications
- Femtosecond filamentation by intensity clamping at a Freeman resonance, Phys. Rev. A 92, 013813 (2015)
M. Hofmann, C. Brée
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevA.92.013813) - Intensity Clamping at a Freeman Resonance, in 2015 European Conference on Lasers and Electro-Optics - European Quantum Electronics Conference, (Optical Society of America, 2015), paper EE_5b_3
M. Hofmann, C. Brée
- Non-Instantaneous Polarization Dynamics in Resonant Dielectrics, in 2015 European Conference on Lasers and Electro-Optics - European Quantum Electronics Conference, (Optical Society of America, 2015), paper EE_5b_2
J. Hyyti, M. Hofmann, S. Birkholz, M. Bock, S. K. Das, R. Grunwald, M. Hoffmann, T. Nagy, A. Demircan, M. Jupé, D. Ristau, U. Morgner, C. Brée, M. Wörner, T. Elsässer, G. Steinmeyer
- Noninstantaneous polarization dynamics in dielectric media, Optica 2, pp. 151-157(2015)
M. Hofmann, J. Hyyti, S. Birkholz, M. Bock, S. K. Das, R. Grunwald, M. Hoffmann, T. Nagy, A. Demircan, M. Jupé, D. Ristau, U. Morgner, C. Brée, M. Wörner, T. Elsässer, G. Steinmeyer
(See online at https://doi.org/10.1364/OPTICA.2.000151) - On the Role of Freeman Resonances in Pump-Probe Measurements of the Nonlinear Refractive Index, in CLEO: 2015, OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2015), paper SM3N.3
M. Hofmann, C. Brée
(See online at https://doi.org/10.1364/CLEO_SI.2015.SM3N.3) - Adiabatic Floquet model for the optical response in femtosecond filaments, Journal of Physics B 49, 205004 (2016)
M. Hofmann, C. Brée
(See online at https://doi.org/10.1088/0953-4075/49/20/205004)
