Abstimmbares Kurzpuls-Lasersystem für den nahen Infrarot-Wellenlängenbereich
Overview
Mit dem vorliegenden Antrag soll ein Lasersystem zur Erzeugung ultrakurzer Pulse im nahen Infrarot- Spektralbereich finanziert und angeschafft werden. Dieses Lasersystem wird eines der Hauptgeräte für wissenschaftliche Experimente in der neu eingerichteten Arbeitsgruppe „Ultraschnelle Nanophotonik“ an der Universität Paderborn darstellen. Die Anschaffung eines solchen Großgerätes ist bedingt durch die geplanten Untersuchungen an neuartigen optischen Materialsystemen zwingend erforderlich. Hauptaugenmerk liegt auf den Spezifikationen des Lasersystems, welches verschiedene Untersuchungen sowohl linear optischer als auch nichtlinearer Spektroskopie bei der Ausbreitung von Licht auf der Nanoskala ermöglichen soll. Hierfür werden kurze Pulse im nahen infraroten Wellenlängenbereich benötigt, die beliebig über den gesamten Spektralbereich abgestimmt werden können. Nur damit ergibt sich die Möglichkeit spektrale Abhängigkeiten der linearen und nichtlinearen Eigenschaften der zu untersuchenden Materialien im Detail zu erforschen. Die höchste Anwenderfreundlichkeit in Kombination mit Flexibilität und Performance bietet hierbei ein mit Hilfe eines Titan-Saphir-Lasers synchron gepumpter Optisch-Parametrischer-Oszillator. Er vereint ausreicht Leistungsreserven und die nötigen kurzen Pulsen für hohe Spitzenleistungen, die über den gesamten nahen Infrarotbereich abgestimmt werden können.
DFG-Verfahren Forschungsgroßgeräte
Gerätegruppe 5700 Festkörper-Laser
Antragstellende Institution Universität Paderborn
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Results
Das abstimmbare Kurzpuls-Lasersystem wurde in den ersten drei Jahren sowohl für linear spektroskopische als auch für nichtlinear-optische Experimente eingesetzt. Bei den linearen spektroskopischen Untersuchungen wurde vor allem ausgenutzt, dass die Wellenlänge des Lasers kontinuierlich auf die experimentellen Bedürfnisse abgestimmt werden konnte. Hierbei wurden vor allem nanostrukturierte Proben untersucht, mit denen die Lichtausbreitung beeinflusst werden kann. Insbesondere standen im Vordergrund der Untersuchungen die Lichtausbreitung und Anregung von Oberflächenplasmonen sowie die Strahlformung im sichtbaren Spektralbereich zur Realisierung von holografischen Abbildungen. Das Lasersystem diente hierbei als die Lichtquelle im Bereich 700-900nm Wellenlänge. Es konnte gezeigt werden, dass durch eine geeignete Strukturierung der Oberfläche eines Materials die Anregung eines Oberflächenplasmons selektiv in eine bestimmte Richtung gesteuert werdn kann. Bei den Holografischen Abbildung wurde zudem die Ausbreitung des Laserstrahls so modifiziert, dass eine Bilderzeugung sowohl im Fresnel-Bereich als auch im Fernfeld realisiert werden konnte. Als weiteres wichtiges Einsatzgebiet des Lasers wurde er für optische Experimente im Bereich der nichtlinearen Optik einsetzt. Innerhalb mehrerer Projekte wurde hierbei der Laser als Lichtquelle eingesetzt, um an nanostrukturierten Proben die zweite und dritte Harmonische zu erzeugen. Die Anregung erfolgte hierbei im nahen Infrarot im Bereich von 1100-1700nm. Mittels dieser Untersuchungen wurden vor allem der Einfluss von Strukturgeometrien und Symmetrien von plasmonischen Strukturen auf die nichtlinearen Eigenschaften untersucht. Es zeigte sich, dass auch auf mesoskopischer Ebene Auswahlregeln für nichtlineare Prozesse gelten. Weiterführende Experimente konnten zudem zeigen, dass nanoskopische Strukturen auch dazu eingesetzt werden können, die Phasenlage bei der Erzeugung höherer Harmonischer gezielt zu Beeinflussen. In einem weiteren Projekt wurde das Lasersystem eingesetzt nichtlineare Multiphotonen-Anregungen in ZnO zu untersuchen. Hierbei wurde eine Wellenlänge im infraroten Wellenlängenbereich gewählt und über einen drei-Photonenprozess die Lumineszenz von bestimmten ZnO Resonatorstrukturen untersucht. Die Ergebnisse zeigten auf eindruckvolle Weise, dass sich die Photolumineszenz Mittels der optischen Moden in einem Mikroresonator gezielt beeinflussen lässt. “Blue-green emitting microdisks using low-temperaturegrown ZnO on patterned silicon substrates” Optics Expess 21, 25517-25525 (2013) M. Ruth, T. Zentgraf, and C. Meier (Siehe online unter http://dx.doi.org/10.1364/OE.21.025517) “Three- Dimensional Optical Holography Using a Plasmonic Metasurface” Nature Comm. 4, 2808 (2013) L. Huang, X. Chen, H. Mühlenbernd, H. Zhang, S. Chen, B. Bai, Q. Tan, G. Jin, K.-W. Cheah, C.- W. Qiu, J. Li, T. Zentgraf, and S. Zhang (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms3808) “Symmetry selective third harmonic generation from plasmonic metacrystal,” Phys. Rev. Lett. 113, 033901 (2014) S. Chen, G. Li, F. Zeuner, W. H. Wong, E. Y. B. Pun, T. Zentgraf, K. W. Cheah, and S. Zhang (Siehe online unter http://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.033901) “Broadband hybrid holographic multiplexing with geometric metasurfaces” Advanced Materials 27(41), 6444–6449 (2015) L. Huang, H. Mühlenbernd, X. Li, X. Song, B. Bai, Y. Wang, T. Zentgraf (Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adma.201502541) “Continuous control of nonlinearity phase for harmonic generations” Nature Materials 14, 607-612 (2015) G. Li, S. Chen, N. Pholchai, B. Reineke, W.-H. Wong, E. Y.-B. Pun, K.-W. Cheah, T. Zentgraf, and S. Zhang (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nmat4267) “Coupling Mediated Coherent Control of Localized Surface Plasmon Polaritons” Nano Letters 15 (6), 4189–4193 (2015) F. Zeuner, M. Muldarisnur, A. Hildebrandt, J. Förstner, and T. Zentgraf (Siehe online unter http://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b01381) “Nonlinear optical sub-bandgap excitation of ZnO-based photonic resonators” J. Appl. Phys. 118, 213105 (2015) C. Bader, F. Zeuner, M. Bader, T. Zentgraf, and C. Meier (Siehe online unter http://dx.doi.org/10.1063/1.4936768) “Amplitude and Phase Controlled Surface Plasmon Polariton Excitation with Metasurfaces” ACS Photonics 3, 124-129 (2016) H. Mühlenbernd, P. Georgi, N. Pholchai, L. Huang, G. Li, S. Zhang, and T. Zentgraf (Siehe online unter http://dx.doi.org/10.1021/acsphotonics.5b00536)Projektbezogene Publikationen (Auswahl)