Forschung

Terahertzstrahlung aus laser-generierten Plasmen

Das Projekt beschäftigt sich mit der Erzeugung von Terahertz-Strahlung mittels eines Plasmas, das im Fokus eines gepulsten Laserstrahles (kurze Pulse, 150 fs) entsteht. Im Vordergrund steht die Entwicklung und Optimierung einer Plasmaquelle für intensive Terahertz-Pulse (THz). Seit dem 1.1.2001 besteht eine Zusammenarbeit mit der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt. Es soll insbesondere untersucht werden, ob die bei Laserpulsenergien von ca. 0.5 mJ gefunden Ergebnisse auch auf deutlich höhere Pulsenergien von bis zu 30 mJ übertragen werden können. Dazu soll das Front-End des bei der GSI neu entstehenden PHELIX-Laseres (GSI) genutzt werden.

1. Prinzip


1. Ein Plasma wird im Fokus einer Linse mittels eines kurzen Laserpulses erzeugt.
2. Im Plasma werden die Elektronen und Ionen aufgrund ponderomotiver Kräfte beschleunigt und emittieren THz-Strahlung seitlich zur Ausbreitungsrichtung.
3. Durch Anlegen eines externen elektrischen Feldes werden die Elektronen und Ionen so beschleunigt, daß ein Dipolmoment senkrecht zur Ausbreitungsrichtung entsteht und die THz-Strahlung senkrecht zur Vorspannung (in Vorwärtsrichtung) emittiert wird.
4. Nach Durchlauf des Laserpulses durch den Fokus rekombinieren Elektronen und Ionen innerhalb von sub-ps.

2. Messaufbau

Die optischen Pulse eins Ti-Saphir Verstärkerpulslaser (1 kHz, 150 fs, 850 µJ, 775 nm; CLARK, CPA 2001) werden mit einer kurzbrennweitigen Linse in einem elektrischen Feld fokusiert und so THz-Pulse erzeugt. Die zeitaufgelöste elektrische THz-Feldstärke wird elektrooptisch mittels eines 1 mm ZnTe-Kristalls detektiert. Der E-Feld des THz-Pulses ruft im ZnTe-Kristall aufgrund des elektrooptischen Effektes eine Brechungsindexänderung hervor, die über die Polarisationsänderung eines Probe-Puls des Laserlichtes gemessen wird.

3. Winkelabhänigkeit

Messungen der THz-Emission in Abhängigkeit vom Winkel relativ zur Strahlrichtung des Lasers. Die Abstrahlcharakteristik der elektrischen Feldstärke E der THz-Strahlung mit (roter Bereich) und ohne (grüner Bereich) äußeres elektrisches Feld zeigt den unter "1. Prinzip" dargestellten Verlauf. Ohne elektrisches Feld (grün) findet keine Emission in Vorwärtsrichtung statt, die seitliche Abstrahlung der THz-Strahlung ist deutlich zu sehen. Mit elektrischem Feld (rot) wird das THz-Signal größer und die Emission findet hauptsächlich in Vorwärtsrichtung statt.

4. THz-Plasma-Emission aus Luft bei 1 bar

Der linke obere Graph (rote Kurve) zeigt das THz-Signal des Plasma-Emitters in Luft (1 bar absolut). Dargestellt ist die elektrische Feldstärke in Abhängigkeit von der Zeit. Der linke untere Graph (grüne Kurve) zeig zum Vergleich die Emission eines üblichen GaAs-Emitters. Der rechte Graph zeigt die Fouriertransformationen der THz-Signale.

5. THz-Plasma-Emission aus Stickstoff bei 46 bar

Die Erhöhung des Gasdrucks auf 46 bar ermöglicht das Anlegen wesentlich höherer Feldstärken. Da die Amplitude der THz-Emission linear von der Feldstärke des äußeren elektrischen Feldes abhängt (siehe Inset), können bei höherem Druck deutlich stärkere THz-Emissionen erreicht werden. Der rechte Graph zeigt das Fourierspektrum des THz-Signals aufgenommen bei einer Feldstärke von 200 kV/cm. Die Verwendung von Stickstoff anstelle von Luft ergibt im wesentlichen keine Änderung der THz-Emission des Plasmas.

6. Abhängigkeit vom Gasdruck bei konstanter Vorspannung

Die Amplitude des THz-Signals zeigt keine Abhängigkeit vom äußeren Druck, obwohl die optische Absorption des Laserlichtes mit dem Druck zunimmt. Dieses Verhalten kann dadurch erklärt werden, daß das maximal entstehende Dipolmoment durch eine schnelle Abschirmung des externen Feldes im Plasma begrenzt ist. Das Inset zeigt das THz-Signal in Abhängigkeit vom Druck. Die Signalform bleibt bei Druckerhöhung unverändert. Die zeitliche Verschiebung des THz-Signals bei Druckerhöhung ist auf die Brechungsindexänderung des Gases bei höheren Drücken zurückzuführen.

7. Abhängigkeit vom Gasdruck bei maximal möglicher Vorspannung

Die Messung der Durchbruchfeldstärke des externen Feldes in Abhängigkeit vom Druck mit (grün) und ohne (rot) Laser ist im oberen Graphen gezeigt. Bei höherem Druck steigt die Durchbruchfeldstärke an. Für die maximal erreichbare Feldstärke beim jeweiligen Gasdruck (75 % der Durchbruchfeldstärke) wurde die maximal erreichbare THz-Amplitude berechnet und im unteren Graphen dargestellt.

8. Variation der Laserpulsenergie

Ein konventioneller GaAs-Emitter zeigt bei größeren Laserpulsenergien ein Sättigungsverhalten (blaue Kurve des oberen Graphs). Die Amplitude der THz-Emission eines Plasmas hingegen steigt mit größerer Laserpulsenergie linear an und zeigt keine Sättigung (grüne = 1 bar; rot = 46 bar; oberer Graph). Falls das lineare Verhalten auch für wesentlich größere Laserpulsenergien besteht, kann die Nutzung von hohen Pulsenergien (zum Beispiel bei den geplanten Messungen mit dem PHELIX-Laser der GSI) eine Plasmaquelle für intensive THz-Emission versprechen. Der unteren Graph verdeutlicht, daß die Absorption des Laserslichtes bei höherem Druck größer ist.

Ansprechpartner: Dr. Susanne Eden und Torsten Löffler