Intensive Femtosekunden-Lichtimpulse im mittleren Infrarot

… für spektroskopische und technische Anwendungen.

Eine neue Lichtquelle erzeugt ultrakurze Infrarotimpulse bei einer Wellenlänge um 12 µm mit zuvor unerreichter Spitzenintensität und Stabilität. Erste Anwendungen in der Schwingungsspektroskopie an Wasser demonstrieren das hohe Anwendungspotential des Systems.Forscher des Max-Born-Instituts in Berlin berichten in der Fachzeitschrift Optica über eine neue Lichtquelle, die ultrakurze Infrarotimpulse jenseits der Wellenlänge von 10 µm mit Rekordparametern liefert.

Eine neue Lichtquelle erzeugt ultrakurze Infrarotimpulse bei einer Wellenlänge um 12 µm mit zuvor unerreichter Spitzenintensität und Stabilität. Erste Anwendungen in der Schwingungsspektroskopie an Wasser demonstrieren das hohe Anwendungspotential des Systems.

Ultrakurze Lichtimpulse stellen ein wichtiges Werkzeug in der Grundlagenforschung dar und haben darüber hinaus Eingang in zahlreiche optische Technologien gefunden. Der infrarote Spektralbereich mit Wellenlängen größer als 1 µm spielt für die optische Kommunikation eine Schlüsselrolle, aber auch in der optischen Mess- und Analysetechnik und bei bildgebenden Verfahren wird Licht mit Wellenlängen von bis zu 300 µm eingesetzt.

Eine besondere technische Herausforderung sind extrem kurze Impulse, bei

denen die Lichtwellen nur wenige Schwingungszyklen aufweisen („few cycle“ pulse). Deren Erzeugung erfordert eine präzise Kontrolle der Phase der Lichtwellen und ihrer Ausbreitungsbedingungen. Few-cycle Impulse bei Wellenlängen größer als 10 µm sind für grundlegende Untersuchungen der Nichtgleichgewichtseigenschaften kondensierter Materie, d. h. von Festkörpern und Flüssigkeiten wichtig und besitzen ein hohes Anwendungspotential, etwa in der optischen Materialbearbeitung. Aus diesen Gründen ist die Erzeugung derartiger Impulse ein hochaktuelles Forschungsthema.

Forscher des Max-Born-Instituts in Berlin berichten in der Fachzeitschrift Optica über eine neue Lichtquelle, die ultrakurze Infrarotimpulse jenseits der Wellenlänge von 10 µm mit Rekordparametern liefert. Das extrem kompakte System beruht auf dem Konzept der optisch-parametrischen Verstärkung, engl. ‚Optical Parametric Chirped Pulse Amplification‘ (OPCPA), bei der ein schwacher ultrakurzer Infrarotimpuls durch die Wechselwirkung mit einem intensiven Pumpimpuls kürzerer Wellenlänge in einem nichtlinearen Kristall verstärkt wird. In der neuartigen Lichtquelle treiben Pumpimpulse von ca. 3 ps Dauer und einer Wellenlänge von 2 µm einen dreistufigen parametrischen Verstärker mit einer Pumpenergie von 6 mJ. Die verstärkten Impulse bei einer Wellenlänge um 12 µm besitzen eine Energie von 65 µJ und eine Dauer von 185 fs, was einer Spitzenleistung um 0,4 Gigawatt (1 GW = 10⁹ W) innerhalb von ca. 5 optischen Zyklen der Lichtwelle entspricht (Abb. 1). Die hochstabilen Infrarotimpulse besitzen eine Wiederholrate von 1 kHz und exzellente optische Strahlparameter (Abb. 1). Ausgangsleistung und Repetitionsrate des Systems sind skalierbar.

Das Potenzial dieser unikalen Quelle wurde in ersten Infrarotexperimenten an flüssigem Wasser demonstriert. Dabei wurden gehinderte Rotationen, sog. Librationen von Wassermolekülen erstmals so stark angeregt, dass ihre optische Absorption signifikant abnahm (Abb. 2). Aus der Analyse dieser Absorptionssättigung lässt sich eine Lebensdauer der Librationsanregung von 20 bis 30 fs abschätzen.

Bildunterschrift:

Abb. 1: Charakterisierung der OPCPA Impulse bei 11,4 µm Wellenlänge. Messung der Langzeit-Impulsstabilität. Die mittlere Leistung beträgt 65 mW, die Standardabweichung ϭ_RMS=1.9%. Linker Einschub: Strahlprofil – Fernfeld-Intensitätsverteilung. Rechter Einschub: Ermittelte zeitliche Impulsform des optischen „Wenigzyklen“-Impulses.

Abb. 2: Nichtlineare Transmission von flüssigem Wasser (12 µm dünner Film, der zwischen zwei transparenten Fenstern gehalten wird) im Librationsband (L2) (Schwingung schematisch durch den kreisförmigen Pfeil angedeutet). (a) L2-Absorption von Wasser (schwarze Linie) sowie einfallende (magentafarbene Linie) und transmittierte (grüne Linie) Spektren der 11,4 µm Impulse (Energie: 25 µJ). (b) Transmission der Wasserprobe als Funktion der eingestrahlten Impulsenergie, welche einen nichtlinearen Anstieg der Transmission zeigt.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie im Forschungsverbund Berlin e.V.
www.mbi-berlin.de

Dr. Uwe Griebner
uwe.griebner@mbi-berlin.de
+49 30 6392 1457

Dr. Martin Bock
martin.bock@mbi-berlin.de
+49 30 6392 1442

Originalpublikation:

Few-cycle 65-µJ pulses at 11.4 µm for ultrafast nonlinear longwave-infrared spectroscopy
Pia Fuertjes, Martin Bock, Lorenz von Grafenstein, Dennis Ueberschaer, Uwe Griebner, and Thomas Elsaesser
Optica Vol. 9, Issue 11, pp. 1303-1306 (2022)
DOI: https://doi.org/10.1364/OPTICA.472650

https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-9-11-1303&id=521804

https://mbi-berlin.de/de/forschung/highlights/details/intense-femtosecond-light-…