Erforschung der Kristallzüchtung des neuen, wide-bandgap, nichtlinearen Nichtoxidkristalls BaGa4S7 und seine Anwendung in optisch-parametrischen Verstärkern

• Antragsteller: Valentin Petrov, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392070342

Ziel des Projekts ist die Erforschung der Kristallzüchtung des neuartigen nichtlinearen optischen Kristalls, BaGa4S7 (BGS), sowie dessen optische Charakterisierung und Anwendung. BGS ist optisch transparent im mittleren infrarot Spektralbereich (mid-IR) bis etwa 12 Mikron. Die Zucht mit dem vertikalen Bridgman-Stockbarger-Verfahren mit orientiertem Seed und erhöhtem Temperaturgradienten wird größere Kristalle in der gewünschten kristallographischen Orientierung für die Phasenanpassung zulassen, während die Horizontale Gradienten-Freeze-Technik die Konzentration von Defekten und die Restabsorption verringern wird, was die Zerstörfestigkeit von BGS erhöht. Eine Nachbehandlung der gezogenen Kristalle (Tempern) wird in beiden Fällen durchgeführt und Verluste werden durch Absorptionsmessungen quantifiziert. Die optische Zerstörungsschwelle der Kristalle und der Kerr-Koeffizient werden mit ultrakurzen Pulsen (ps und fs) bei 1.03 Mikron unter Bedingungen wie bei den vorgesehenen frequency-down Konversionsexperimenten gemessen. BGS besitzt außergewöhnliche Eigenschaften, z.B. eine extrem breite Bandlücke (3.54 eV im UV) für ein Chalcogenid (Nichtoxidkristall). Die daraus resultierende hohe Zerstörungsschwelle, geringe Gruppengeschwindigkeitsfehlanpassung und Dispersion ermöglichen einzigartige Anwendungen mit ultrakurzen Laserpulsen. So können Wellenlängen um 1 Mikron von gängigen und leistungsskalierbaren Laserquellen ins mid-IR bis über 5 Mikron konvertiert werden. Mit BGS soll die optisch parametrische Verstärkung (OPA), speziell die Chirped-Pulse-OPA, untersucht werden. Der BGS-OPA wird mit 1 ps Impulsen gepumpt und als Seed dient ein Femtosekunden-Weißlicht-Kontinuum, um Idler-Impulse bei 8.7 Mikron mit herausragender Energie, Peak- und Durchschnittsleistung (1 W-Bereich) zu erzeugen. Dieses Lasersystem arbeitet bei einer Wiederholrate von 100 kHz und hat Anwendungspotential in der Höchstfeld- und Attophysik. Bei den etwa 100 fs langen, aus wenigen optischen Zyklen bestehenden mid-IR Impulsen ist die Einhüllende der Trägerwelle intrinsisch phasenstabilisiert. Während diese kurzen Impulse unter Verwendung des Strecker-Kompressor-Konzepts generiert werden, soll auch klassische OPA bei sub-ps-Pulsdauern untersucht werden, da für diese spezielle "magische" Idler-Wellenlänge die Gruppengeschwindigkeiten aller drei wechselwirkenden Wellen, Pump, Signal und Idler gleich sind. Die Verfügbarkeit von großvolumigen BGS Kristallen mit gleichmäßig hoher Qualität und geringen Verlusten ist auch Voraussetzung für die Erhöhung der Konversionseffizienz und die Reduzierung der Pumpschwelle bei optisch parametrischen Oszillatoren (OPOs). Diese mit ns Pulsdauer bei 1 Mikron gepumpten OPOs sollen Idler-Impulse mit noch höherer Energie im mJ-Bereich generieren. Die Demonstration zerstörungsfreien Langzeitbetriebs solcher OPOs mit 100 Hz Wiederholrate eröffnet den Weg für ihre Kommerzialisierung und Anwendung in der minimal-invasiven Laserchirurgie bei 6.5 Mikron.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Professor Dr. Ning Ye