Ultrakurze Pulse und Erzeugung hoher Harmonischer

  Urheberrecht: © Lehrstuhl für Lasertechnik LLT, RWTH Aachen University. Nichtlineare Pulskompression in einer Multipass-Zelle (MPC). Das Spektrum wird mit jedem Durchgang durch ein nichtlineares Element in der MPC durch SPM verbreitert. Das simulierte Spektrum erlaubt eine Pulsverkürzung um den Faktor 9.

  Urheberrecht: © © Lehrstuhl für Lasertechnik LLT, RWTH Aachen University. Transversales Strahlprofil („Schlitzmode“) in einem Überhöhungsresonator zur Erzeugung hoher Harmonischer (HHG). Gemessenes Strahlprofil im HHG-Fokus (oben) und auf dem Schlitzspiegel (unten) zur geometrischen Auskopplung der EUV-Strahlung.

Forschungsschwerpunkte

• Erzeugung/Verstärkung und Charakterisierung ultrakurzer Pulse
• Nichtlineare Pulskompression ultrakurzer Pulse
• Erzeugung hoher Harmonischer (HHG) in den VUV- und EUV-Spektralbereich
• Resonator-unterstützte HHG bei hohen Repetitionsraten

Unsere Gruppe beschäftigt sich mit ultrakurzen Pulsen (Pulsdauer im Femtosekunden-Bereich) und deren Charakterisierung, etwa Pulsdauer, Strahlqualität und Homogenität (Spektrum über dem Strahlprofil). Wir arbeiten an der nichtlinearen Pulskompression in einer Multipass-Zelle (MPC) und wollen die möglichen Pulsparameter für dieses Schema untersuchen und erweitern. Eine kurze Pulsdauer ist bspw. wichtig für die Erzeugung hoher Harmonischer (HHG) in einem Gas-Jet, da sie eine geringere Ionisation und höhere Effizienz ergibt. HHG erlaubt die Erzeugung von räumlich und zeitlich kohärenter Strahlung im Vakuum-ultravioletten (VUV) und Extrem-ultravioletten (EUV) Spektralbereich als ungeradzahlige Harmonische der treibenden Strahlung. Für den hoch-nichtlinearen und ineffizienten Prozess sind Intensitäten von >1e13 W/cm² erforderlich, die durch die Fokussierung von ultrakurzen Pulsen erreicht werden können. Bei großen Repetitionsraten (>10 MHz) kann die Strahlung in einem passiven Resonator überhöht werden, um die Intensität trotz der begrenzten Pulsenergie zu erreichen und die Gesamt-Effizienz zu vergrößern. Wir beschäftigen uns u.a. mit verschiedenen Möglichkeiten, die Harmonischen geometrisch aus dem Resonator auszukoppeln, ohne große Verluste für die treibende Strahlung aufzuprägen. Mit kohärenter Strahlung im VUV und EUV bei großer Repetitionsrate kann bspw. Frequenzkamm-Spektroskopie in diesem Spektralbereich oder Photoelektronen-Emissionsspektroskopie mit geringen störenden Raumladungseffekten betrieben werden.

Kooperationspartner

• Max-Planck-Institut für Quantenoptik MPQ
• Ludwig-Maximilians-Universität München LMU
• Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

Projekte

Gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT arbeiten wir an einem VUV-Frequenzkamm bei 150 nm, den wir als 7. Harmonische eines Frequenzkamms bei 1050 nm erzeugen. Das System soll an die LMU München ausgeliefert werden, wo erstmals die optische Anregung eines Atomkerns (229Thorium) erreicht und eine Kernuhr realisiert werden soll. Eine solche Uhr hat Anwendungen in der Grundlagenphysik, bspw. die Suche nach dunkler Materie [12], Das Projekt wird von der EU im Rahmen eines ERC Synergy Grant gefördert: https://thoriumclock.eu/

Für Studierende

Bitte melden Sie sich gern, wenn Sie Interesse haben, im Rahmen einer Hiwi-Stelle oder einer Bachelor-/Masterarbeit an unseren Projekten mitzuarbeiten!

Veröffentlichungen

1. P. Rußbüldt, J. Weitenberg, J. Schulte, R. Meyer, Ch. Meinhardt, H.-D. Hoffmann, R. Poprawe »Scalable 30 fs laser source with 530 W average power« Opt. Lett. 44, 5222-5225 (2019).
2. T. Saule, S. Heinrich, J. Schötz, N. Lilienfein, M. Högner, O. deVries, M. Plötner, J. Weiten­berg, D. Esser, J. Schulte, P. Rußbüldt, J. Limpert, M. F. Kling, U. Kleineberg, I. Pupeza »High-flux, high-photon-energy ultrafast extreme-ultraviolet photoemission spectroscopy at 18.4 MHz pulse repetition rate« Nat. Comm. 10, 485 (2019).
3. J. Weitenberg, T. Saule, J. Schulte, P. Rußbüldt »Nonlinear pulse compression to sub-40 fs at 4.5 µJ pulse energy by multi-pass-cell spectral broadening« IEEE JQE 53, 8600204 (2017).
4. L. von der Wense, B. Seiferle, S. Stellmer, J. Weitenberg, G. Kazakov, A. Palffy, P. G. Thirolf »A laser excitation scheme for Th229m« Phys. Rev. Lett. 119, 132503 (2017).
5. J. Weitenberg, A. Vernaleken, J. Schulte, A. Ozawa, Th. Sartorius, V. Pervak, H.-D. Hoffmann, Th. Udem, P. Rußbüldt, Th. W. Hänsch »Multi-pass-cell-based nonlinear pulse compression to 115 fs at 7.5 µJ pulse energy and 300 W average power« Opt. Express 25, 20502-20510 (2017).
6. J. Schulte, Th. Sartorius, J. Weitenberg, A. Vernaleken, P. Rußbüldt »Nonlinear pulse com­pression in a multi-pass cell« Opt. Lett. 41, 4511-4514 (2016).
7. J. Weitenberg, P. Rußbüldt, I. Pupeza, Th. Udem, H.-D. Hoffmann, R. Poprawe »Geometrical on-axis access to high-finesse resonators by quasi-imaging: a theoretical description« J. Opt. 17, 025609 (2015).
8. P. Rußbüldt, D. Hoffmann, M. Höfer, J. Löhring, J. Luttmann, A. Meissner, J. Weitenberg, M. Traub, Th. Sartorius, D. Esser, R. Wester, P. Loosen, R. Poprawe »Innoslab amplifiers« IEEE J. Sel. Top. Quant. Electron. 21, 3100117 (2015).
9. I. Pupeza, M. Högner, J. Weitenberg, S. Holzberger, D. Esser, T. Eidam, J. Limpert, A. Tünner­mann, E. Fill, V. S. Yakovlev »Cavity-enhanced high-harmonic generation with spatially tailored driving fields« Phys. Rev. Lett. 112, 103902 (2014).
10. I. Pupeza, S. Holzberger, T. Eidam, H. Carstens, D. Esser, J. Weitenberg, P. Rußbüldt, J. Rauschenberger, J. Limpert, Th. Udem, A. Tünnermann, T. W. Hänsch, A. Apolonski, F. Krausz, E. Fill »Compact high-repetition-rate source of coherent 100 eV radiation« Nat. Phot. 7, 608-612 (2013).
11. J. Weitenberg, P. Rußbüldt, T. Eidam, I. Pupeza »Transverse mode tailoring in a quasi-imaging high-finesse femtosecond enhancement cavity« Opt. Express 19, 9551-9561 (2011).
12. E. Peik, T. Schumm, M. S. Safronova, A. Palffy, J. Weitenberg, P. G. Thirolf »Nuclear clocks for testing fundamental physics« Quantum Sci. Technol. 6, 034002 (2021).