Mikrostrukturfaser und metall-dielektrische Hohlwellenleiter für nichtlineare spektrale Transformationen von ultrakurzen Impulsen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projekts wurden neue Methoden zur spektralen Transformation ultrakurzer Impulse mittels Photonischer Hohlwellenleitern (HC-PCF) mit einer anomalen Dispersion im optischen Bereich sowie andererseits unter Ausnutzung der Feldüberhöhung durch metallische Nanostrukturen untersucht. Es wurde gezeigt, dass mittels photonischer Hohlwellenleitern kohärente Weißlichtstrahlung (Superkontinua) mit einer um fünf Größenordnungen höheren spektralen Leistungsdichte erzeugt werden kann als es bisher in Mikrostrukturfasern mit einem Glaskern (MFs) realisierbar ist, wobei die Spektren sich bis in den UV/VUV Bereich erstrecken. Insbesondere wurde durch diese Untersuchungen eine neue Methode zur Erzeugung abstimmbarer VUV Impulse mit einer Dauer unterhalb von 10fs im μJ Bereich vorgeschlagen, die einen Meilenstein bei der Entwicklung kompakter, abstimmbarer, räumlich und zeitlich kohärenter Lichtquellen im UV und VUV Bereich darstellen könnte. Weiterhin haben wir gezeigt, dass die anomale Dispersion im optischen Bereich in HC-PCFs die Führung von extrem kurzen Impulsen mit einer Dauer von nur ein bis zwei Zyklen und einer hohen Energie im μJ Bereich über ausgedehnte Entfernungen in Meter-Bereich erlaubt, für die bisher keine alternative Methoden existieren. Gleichzeitig wurden im Rahmen einer Kooperation mit experimentellen Gruppen die theoretischen Vorarbeiten und begleitenden theoretischen Untersuchungen für die experimentelle Realisierung dieser Ergebnisse durchgeführt, wobei insbesondere die Erzeugung eines 2-Oktaven Superkontinuum (von 410 bis 1640nm) in einer Wasser-gefüllten PCF mit einer Energie von 0.5 μJ zu nennen ist. Eine weiter Zielstellung war auf die Untersuchung der Nutzung metallischer Nanostrukturen zur Feldüberhöhung sowie zur Vergrößerung der nichtlinearen Koeffizienten bei der Erzeugung hoher Harmonischer, für eine neuen Typ sättigbarer Absorber im kurzwelligen Bereich sowie für andere Effekte gerichtet. Wir haben ein semi-klassisches Model der Erzeugung hoher Harmonischer durch Edelgase in der Nähe metallischer Nanostrukturen entwickelt, wobei die starken Inhomogenitäten in den „hot spots“ der Feldstärke und der Einfluss der metallischen Oberflächen der Nanostrukturen berücksichtigt ist. Unsere Berechnungen zeigten eine Reduzierung der geforderten Pumpintensitäten um 3 Größenordnungen, eine mögliche Verschiebung der kurzwelligen Grenze der HHG (cut off) infolge der Inhomogenität der Plasmon-überhöhten Feldstärke um einen Faktor von zwei sowie neben der Ausstrahlung von ungeraden Harmonischen auch gerade. Wir untersuchten den zugrunde liegenden Mechanismus der sättigbaren Absorption von Gläsern, die mit metallischen Nanoteilchen verschiedener Form und Größe dotiert sind. Unsere Untersuchungen zeigten, dass solche Medien als neuartiger Typ von sättigbaren Absorbern zur passiven Modensynchronisation von Lasern in einem weiten Frequenzbereich verwendet werden können, wobei der blau/violette Bereich von besonderem Interesse ist, in dem keine brauchbaren alternative Absorber existieren. Weiterhin haben wir erstmals gezeigt, dass mit Nanoteilchen dotierte Gläser eine starke Reduzierung der Gruppengeschwindigkeit von Lichtimpulsen (slow light) um einen Faktor von 200 bis 400 realisiert werden kann. Diese neue Methode erlaubt einen besonders kompakten Chip-kompatiblen Aufbau, der als optischer Entkoppler (buffer) in der Telekommunikation und Informationsverarbeitung sowie in anderen Gebieten Verwendung finden könnte. Weiterhin haben wir in Kooperation mit auswärtigen Wissenschaftlern den Mechanismus der Emission von THz Strahlung in Gasen untersucht und gezeigt, dass diese mit einem stufenförmigen Anwachsen der Plasmadichte bei der Laser-induzierten Ionisation zusammenhängt. Entsprechende experimentelle Untersuchungen am MBI bestätigten dieses neue Verständnis der THz Emission in Gasen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “High-power soliton-induced supercontinuum generation and tunable sub-10fs VUV pulses from kagome lattice hollow core photonic crystal fibers”, Opt. Express 18, 5367 (2010)
S.-J. Im, A. Husakou and J. Herrmann
- “Saturable absorption in composites doped with metal nanoparticles”, Opt. Express 18, 21918-21925 (2010)
K.-H. Kim, A. Husakou and J. Herrmann
- „Near-two-octave supercontinuum generation in a water-filled hollow-core photonic crystal fiber“, Opt. Express 18, 6230 (2010)
Bethke, A. Husakou, F. Mitschke, F. Noack, U. Griebner, G. Steinmeyer and J. Herrmann
- “Theory of plasmon-enhancement of highorder harmonic generation in the vicinity of metal nanostructures in noble gases”, Phys. Rev. A 83, 04443839 (2011)
A. Husakou, S.-J. Im and J. Herrmann
