Ultrakurze Lichtmoleküle - Von internen Interaktionen zu externer Kontrolle

• Antragsteller: Professor Dr. Georg Herink
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 461131168

Ultrakurze Pulse modengekoppelter Oszillatoren bilden die Grundlage für die Erforschung ultraschneller Phänomene. Moderne Laseranwendungen basieren auf der Komposition, Modulation und Manipulation komplexer Pulssequenzen - und ermöglichen durchstimmbare optische Anregungen, rauscharme Detektion und maßgeschneiderte nichtlineare Licht-Materie-Wechselwirkungen. Dynamische Pulsmuster werden interessanterweise für faktisch jede Realisierung modengekoppelter Oszillatoren beobachtet und die zugrundeliegende Physik stellt derzeit ein zentrales Thema im Feld der Mikroresonatoren dar - angefangen von Phänomenen der Multipuls-Modenkopplung, der Multi-Frequenzkamm-Erzeugung bis zur „Solitonenkristallisation“. Gleichzeitig ist die Dynamik des Multipuls-Verhaltens selbst in makroskopisch modengekoppelten Resonatoren kaum zugänglich, nicht umfassend verstanden und praktisch ungenutzt. Kürzlich konnten wir nun erstmals eine schnelle, rein optische und deterministische Kontrolle von Femtosekunden-Pulssequenzen experimentell demonstrieren. Dabei werden wichtige Observablen - wie z.B. die zeitlichen Pulsabstände, Phasenbeziehungen, und Musterstabilität - derzeit nicht theoretisch vorhergesagt. Im Gegensatz zu Mikroresonatoren erlauben die betrachteten Resonatoren mittels Echtzeit-Spektroskopie einen Zugang zu Femtosekunden-Bindungsabständen auf der schnellsten natürlichen Zeitskala des Oszillators - dem einzelnen Umlauf.In diesem Projekt planen wir die zuvor eingeführte Echtzeit-Spektroskopie von Solitonmolekülen einzusetzen, um Solitonen-Interaktionen und die Reaktionen auf kurze, externe Stimuli zu verfolgen. Der experimentelle Ansatz ermöglicht es, Bewegungen von gebundenen Zuständen auf einer Vielzahl von Zeitskalen vom Einzelschuss bis in den Millisekundenbereich zu verfolgen. Insbesondere zeigen unsere neusten Vorarbeiten, dass die Anregung von kohärenten optischen Phononen im Laserkristall eine zentrale Rolle für die Interaktion zwischen zeitlichen Solitonen einnimmt. Wir planen daher in diesem Projekt den Einfluss von Raman-Stimulation und von Rückkopplung auf Multisolitonen-Zustände zu untersuchen. Insbesondere nutzen wir dazu einerseits schnelle externe Modulationen der Pumpleistung, und andererseits ultraschnelle Injektion einzelner Solitonen in den Resonator. Unterstützt durch Simulationen möchten wir die zugrunde liegenden Mechanismen entschlüsseln und die Steuerung von Multisolitonen-Dynamik verstehen. Wir erwarten, dass die Kontrolle von Soliton-Paaren zu einer drastischen Erhöhung von Scanraten und Empfindlichkeit einer Vielzahl von Anwendungen führt, insbesondere die spektrale Terahertz (THz)-Bildgebung, stimulierte Raman-Streuung (SRS), Pump-Probe-Spektroskopie und schnelle Realisierungen zur kohärenten Kontrolle. Als Proof-of-Concept-Anwendung demonstrieren wir schnelles Frequenz-Tuning von THz-Pulsen für die Zweifarben-THz-Bildgebung mithilfe modulierter Solitonenpaare.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Real-Time Gigahertz Oscilloscope
• Gerätegruppe: 6210 Speicheroszilloskope