Adiabatic Interactions and Frequency Conversion Processes: Investigations and Applications
Final Report Abstract
Laser sind nützliche Werkzeuge in einer mittlerweile unüberschaubaren Vielzahl von Anwendungen in Wissenschaft, Industrie, sowie des täglichen Lebens. Die Weiterentwicklung der kohärenten Lichtquellen ist daher ein wesentliches Ziel von Forschungsanstrengungen in der optischen Physik. Ziele sind dabei z.B. die Entwicklung noch leistungsstärkerer Laser, die Erzeugung kürzester Lichtpulse als super-schnelle "Kamera2 zur Aufnahme schnellster Phänomene in Natur und Technik, oder die Erweiterung des durch Laser zugänglichen Spektralbereichs, d.h. der möglichen Ausgangswellenlängen des Lasers. Mittlerweile sind so auch Wellenlängen weit außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs erschlossen worden, z.B. hin zu sehr langen Wellenlängen weit im Infrarot, oder hin zu sehr kurzen Wellenlängen von "extrem-ultravioletter" (XUV) Strahlung nahe des Röntgenbereichs. Letzteres ermöglicht z.B. die mikroskopische Abbildung oder Laser-lithographische Erzeugung kleinster Strukturen, die hoch-energetische Anregung von Atomen und Molekülen, oder die Erzeugung ultra-kürzester Attosekunden-Lichtpulse durch Kombination von spektralen Komponenten im XUV. Typischerweise wird XUV-Strahlung erzeugt durch Frequenzkonversion von sichtbarer Laserstrahlung mittels nicht-linear optischer Prozesse hoher Ordnung, z.B. in Gasen. Die Konversionseffizienzen sind bei diesen Prozessen allerdings sehr klein, d.h. erreichen nur selten Werte über 10 hoch -4. Daher ist es wichtig, neue Methoden zur Steigerung der nichtlinear-optischen Konversionseffizienzen zu entwickeln und zu untersuchen. Das Projekt zu „Adiabatische Wechselwirkungen und Frequenzkonversionsprozesse“ beschäftigte sich mit der Entwicklung und dem Transfer von Verfahren zur kohärent-adiabatischen Manipulation von atomaren Medien, insbesondere im Hinblick auf die kohärente Steigerung von Frequenzkonversionseffizienzen ultra-kurzer Lichtpulse in den XUV-Bereich. Hierzu wurden insbesondere "adiabatische" Licht-Materie-Wechselwirkungen eingesetzt. Diese Klasse von Wechselwirkungen zeichnen sich durch hohe Robustheit in Bezug auf Fluktuationen der experimentellen Parameter aus. Während adiabatische Prozesse in vielen Bereichen der optischen Physik ein wohl-etabliertes Werkzeug darstellen, gibt es nur sehr wenige Untersuchungen zur Anwendung der Prozesse in der Frequenzkonversion oder bei ultra-kurzen Lichtpulsen. Hier bestand somit Bedarf zur Entwicklung, Untersuchung und dem Einsatz adiabatischer Methoden in der Frequenzkonversion ultra-kurzer Lichtpulse. Die wesentlichen neuen Entwicklungen und Erkenntnisse aus dem Projekt sind wie folgt : 1) Es wurde untersucht, inwieweit sich atomare Resonanzen zur Erhöhung von Frequenzkonversionseffizienzen noch ausnutzen lassen, wenn die treibenden Lichtfelder sehr stark sind. Typischerweise entstehen dadurch starke Modifikationen der atomaren Niveaustruktur, d.h. große Verschiebungen und Verbreiterungen der Energieniveaus. Die Untersuchungen zeigten, dass es durch geeignete Wahl der Laserwellenlänge dennoch möglich ist, große Resonanzüberhöhungen von Frequenzkonversionsprozessen zu erreichen. 2) In einem zentralen Projekt wurden Quanteninterferenzen eingesetzt, um resonante Frequenzkonversionsprozesse zu manipulieren. Es wurde gezeigt, dass die Effizienzen durch sorgfältig kontrollierte Quanteninterferenzen und geeignete Phasenwahl der treibenden Lichtfelder signifikant verstärkt (oder auch fast vollständig unterdrückt) werden können. Das sehr erfolgreiche Experiment stellt eines der überzeugendsten Beispiele für den Einsatz von Quanteninterferenzen in der Physik dar. 3) Das Verfahren der schnellen adiabatischen Passage ("rapid adiabatic passage" (RAP)) wurde experimentell implementiert zur Unterstützung der resonanten Frequenzverdreifachung. Die ersten Daten sind vielversprechend. 4) In angewandten Untersuchungen wurden Verfahren zur Mikroskopie mittels Frequenzverdreifachung ultra-kurzer Laserpulse systematisch untersucht und auf neue Anwendungsbereiche angepasst. Die Verfahren haben große Bedeutung für Anwendungen in Physik, Chemie, Biologie, Medizin, sowie den Ingenieurwissenschaften. Sie ermöglichen die hochaufgelöste Abbildung selbst ansonsten völlig transparenter Proben. Die erfolgreich umgesetzten Projekte führten bisher zu 5 Publikationen in internationalen, begutachteten Fachzeitschriften. Weitere Publikationen auf Basis der bisherigen Daten und daran anschließender Untersuchungen sind geplant.
Publications
- “Effects of laser polarization and interface orientation in harmonic generation microscopy”, Opt. Expr. 20, 3654 (2012)
U. Petzold, A. Büchel, and T. Halfmann
- “Resonantly-enhanced harmonic generation in Argon”, Opt. Expr. 20, 13824 (2012)
P. Ackermann, H. Münch, and T. Halfmann
(See online at https://doi.org/10.1364/OE.20.013824) - “Spatial emission profiles at different interface orientations in third harmonic generation microscopy”, J. Opt. Soc. Am. B 30, 1725 (2013)
U. Petzold, C.Wenski, A. Romanenko, and T. Halfmann
- „Strong quantum interferences in frequency up-conversion towards short vacuum-ultraviolet radiation pulses“, Phys. Rev. A 89, 063804 (2014)
P. Ackermann, A. Scharf, and T. Halfmann
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevA.89.063804)
