Femtosekunden-Anrege-Abfrage-Spektrometer
Final Report Abstract
Der Forschungsschwerpunkt der Arbeitsgruppe Imlau liegt auf dem Gebiet der Ultrakurzzeitphysik. Untersucht werden ultraschnelle Phänomene der Selbstlokalisierung von Ladungsträgern in stark polarisierbaren Nanomaterialien und der hiermit verbundenen nichtlinear optischen Response. Methodisch werden zeitaufgelöste Techniken der UV/VIS und MIR-Spektroskopie eingesetzt. Das beschaffte Großgerät dient speziell zur Erweiterung der zeitaufgelösten nichtlinear optischen Spektroskopie. Hiermit lassen sich insbesondere dynamische Änderungen der elektronischen und molekularen Struktur simultan zu Polarisationsänderungen erfassen. Der Anwendungshintergrund umfasst die Nano- und Quantenphotonik, insbesondere die ferroelektrische Photovoltaik, die Nanobiophotonik und die integrierte Quantenphotonik. Mit dem Großgerät ‚fs-Anrege-Abfrage-Spektrometer‘ konnte ein Festkörperspektroskopie-Messplatz mit (bislang) vier neuen Instrumenten und einer Zeitauflösung im sub-50-Femtosekunden Zeitbereich aufgebaut werden: (1) Instrument zur zeitaufgelösten Up-Conversion Lumineszenz-Spektroskopie an Nanokristallen, (2) Instrument zur Up-/Down-Conversion-Spektroskopie an Nanokristallen, (3) Instrument zur zeitaufgelösten MOKE-(magneto-optischen Kerr-Effekt) Spektroskopie und (4) Instrument zur zeitaufgelösten Up-Conversion-Infrarot-Spektroskopie. Der neue Messplatz hat maßgeblich zu aktuellen Forschungsergebnissen der Forschungsgruppe in laufenden bzw. neu beantragten Forschungsprojekten beigetragen und ermöglicht. Hierzu zählen: (i) der experimentelle Nachweis polaronisch bedingter Gitterverzerrungen während des Transports fs-Puls-injizierter, kleiner Polaronen mit starker Kopplung, (ii) das Aufzeichnen von Gittern und der Nachweis der Interferenz mit fs-Lichtpulsen unterschiedlicher Farben, (iii) die Erzeugung von fs-Lichtpulsen im mittleren Infrarot mittels dynamischer Holographie, (iv) der Nachweis selbst-gefangener Exzitonen (STE) im Kontext der Polaronenbildungs- und -rekombinationsdynamik sowie (v) das mikroskopische Verständnis des photoelektrischen Ladungstransports beim volumenphotovoltaischen Effekt unter Einbezug von STEs in Materialien mit starker Ladungstragerkopplung. Von besonderer Bedeutung sind die stark interdisziplinär ausgelegten Arbeiten zur nichtlinearen Wechselwirkung ultrakurzer Laserpulse mit harmonischen Nanopartikeln. Hierbei ist es uns mit dem Gerät gelungen, die Methode der diffusen Reflektometrie auf die Untersuchung nichtlinear optischer Materialsysteme mit ultrakurzen Laserpulsen zu erweitern und ein Verfahren zum Nachweis nicht-zentrosymmetrischer Nanokristallproben zu etablieren. Auf Basis dieser Arbeiten wurde die Kooperation mit Arbeitsgruppen der Fachbereiche Biologie und Chemie auf dem Gebiet der Nanobiophotonik im Forschungszentrum für zelluläre Nanoanalytik, CellNanOs, verstärkt. Mit dem Gerät konnten Flussgeschwindigkeiten im Blutkreislauf von Drosophila-Herzen bestimmt werden - erstmals invivo durch den Einsatz von harmonischen Nanokristallen. Entlang dieser Forschungsarbeiten sind mit dem Großgerät zahlreiche Publikationen in angesehenen Journalen und 11 Studienabschlussarbeiten (Master/Bachelor) entstanden.
Publications
- Interference and holography with femtosecond laser pulses of different colours, Nat. Commun. 6, 5866 (2015)
S. Odoulov, A. Shumelyuk, H. Badorreck, S. Nolte, K.-M. Voit, and M. Imlau
(See online at https://doi.org/10.1038/ncomms6866) - Scanning nonlinear absorption in lithium niobate over the time regime of small polaron formation, Opt. Mat. Express 5, 2729 (2015)
H. Baddoreck, S. Nolte, F. Freytag, P. Bäune, V. Dieckmann, and M. Imlau
(See online at https://doi.org/10.1364/OME.5.002729) - Atomic insight to lattice distortions caused by carrier self-trapping in oxide materials, Sci. Rep. 6, 36929 (2016)
F. Freytag, G. Corradi, and M. Imlau
(See online at https://doi.org/10.1038/srep36929) - Doppler-shifted Raman-Nath diffraction from gratings recorded in LiNbO3 with ultra-short laser pulses of different color, Opt. Mat. Express 6, 517 (2016)
H. Badorreck, A. Shumelyuk, S. Nolte, M. Imlau, and S. Odoulov
(See online at https://doi.org/10.1364/OME.6.000517) - Nonlinear diffuse fs-pulse reflectometry of harmonic upconversion nanoparticles, Photonics 4, 11 (2017)
C. Kijatkin, J. Eggert, S. Bock, D. Berben, L. Oláh, Z. Szaller, Z. Kis, and M. Imlau
(See online at https://doi.org/10.3390/photonics4010011) - Chirp control of fs-pulse scattering from dragreducing surface-relief gratings, Phot. Res. 6, 542 (2018)
J. Eggert, B. Bourdon, S. Nolte, J. Rischmueller, and Mirco Imlau
(See online at https://doi.org/10.1364/PRJ.6.000542) - Nonlinear optical potassium niobate nanocrystals as harmonic markers: The role of precursors and stoichiometry in hydrothermal synthesis, Nanoscale 10, 10713-10720 (2018)
Z. Wang, C. Kijatkin, A. Urban, M. Haase, M. Imlau, and K. Kömpe
(See online at https://doi.org/10.1039/C8NR00470F) - Performance of holographic silicon polymer films based on photoswitchable molecules, Opt. Mat. Exp., 8, 1951-1967 (2018)
B. Bourdon, S. Bock, C. Kijatkin, A. Shumelyuk, and M. Imlau
(See online at https://doi.org/10.1364/OME.8.001951) - Picosecond near-to-mid-infrared absorption of pulse-injected small polarons in magnesium doped lithium niobate, Opt. Mat. Express 8, 1505 (2018)
F. Freytag, P. Booker, G. Corradi, S. Messerschmidt, A. Krampf, and M. Imlau
(See online at https://doi.org/10.1364/OME.8.001505)
