Lzerrel pumplt terahertzes forrsok s Lzerrel pumplt terahertzes - PowerPoint PPT Presentation

Institute of Institute of Physics Physics www.physics.ttk.pte.hu Lézerrel pumpált terahertzes források és Lézerrel pumpált terahertzes források és alkalmazásaik Fülöp J. A. 1,3 , Pálfalvi L. 2 , Ollmann Z. 2 , Almási G. 1,2 , Hebling J. 1,2 1 MTA ‐ PTE Nagyintenzitású Terahertzes Kutatócsoport, Pécs 2 Pécsi Tudományegyetem, Fizikai Intézet, Pécs 3 ELI ‐ HU Nkft., Szeged , g Fizikus Vándorgy ű lés, Debrecen, 2013. aug. 21 ‐ 24.

A THz ‐ es tartomány az elektromágneses spektrumban ν Frekvencia: = 0,1 – 30 THz λ –1 λ 3 3 – 1000 cm –1 Hullámszám: Hullámszám: = = 3,3 1000 cm λ Hullámhossz: = 10 – 3000 µm 12:00 visible radio radio microwave microwave THz THz infrared infrared UV UV X-ray X-ray 10 8 10 8 10 9 10 9 10 10 10 10 10 11 10 11 10 12 10 12 10 13 10 13 10 14 10 14 10 15 10 15 10 16 10 16 10 17 10 17 frequency (Hz)

Miért érdekes a THz ‐ es tartomány? � Nagy molekulák rotációs frekvenciája a THz ‐ es tartományba esik � Fontos biomolekulák abszorpciós spektruma érzékeny a molekulák Fontos biomolekulák abszorpciós spektruma érzékeny a molekulák konformációjára � Molekulák hidratációs környezete tanulmányozható � Magas h ő mérséklet ű szupravezet ő k karakterisztikus frekvenciája � Töltéshordozók szilárdtestekben � Orvosi alkalmazások � Biztonságtechnika Biztonságtechnika optical optical THz reflection transmission

THz ‐ es spektrális képalkotás Hamisszínes kép különböz ő THz hullámhosszakon készített felvételek alapján. A kémiai összetétel meghatározható a THz abszorpció h á h ó b ó alapján. Látható fényben készített felvétel

THz ‐ es sugárzás fehérjéb ő l � Bakteriorodopszin molekula fényenergia felhasználásával protonokat pumpál a p p p membránon át a sejten kívülre. � Az így keletkez ő protonkoncentráció ‐ gradiens kémiai g energiává alakul, amit a sejt felhasznál. � A protonpumpa töltésmozgása THz ‐ es sugárzást kelt. G I G G.I. Groma, J. Hebling et al., PNAS 2008 J H bli t l PNAS 2008

THz ‐ es impulzusok alkalmazásai amplitude (a. u.) ) 1,0 1,0 E max 0,8 0,6 u.) 0,5 0 5 0,4 ctric field (a. u Spectral 0,2 0,0 0 1 2 3 Frequency (THz) 0,0 Elec -0,5 -2 0 2 4 6 8 time (ps) � Lineáris THz ‐ es spektroszkópia (E max ≈ 100 V/cm → 10 fJ impulzus energia) p p ( max / p g ) grafén, szén nanocsövek, molekuláris mágnesek, hidratált molekulák, stb. vizsgálata � Nemlineáris THz es spektroszkópia ( E � Nemlineáris THz ‐ es spektroszkópia ( E max ≈ 100 kV/cm → µJ impulzus energia) ≈ 100 kV/cm → µJ impulzus energia) THz pumpa – THz próba mérések

Intenzív THz ‐ es impulzusok alkalmazásai • TH THz ‐ es nemlineáris optika és spektroszkópia li á i ik é k kó i – Impact ionization in InSb, THz pump–THz probe Hoffmann et al., Phys. Rev. B, 2009 – Bleaching of absorption Razzari et al., Phys. Rev. B, 2009 – Nonequilibrium carrier distribution q Hebling et al., Phys. Rev. B, 2010 – Exciton generation in multiple quantum wells and carbon nanotubes and carbon nanotubes Hirori et al., Phys. Rev. B, 2010 Watanabe et al., Opt. Express, 2011 • • Anyagi tulajdonságok kontrollálása THz ‐ es térrel Anyagi tulajdonságok kontrollálása THz ‐ es térrel – Ultrafast gating of interlayer charge transport in a superconductor Dienst et al Nat Photon 2011 Dienst et al., Nat. Photon., 2011 – Molecular orientation and alignment Fleischer et al., PRL, 2011 – Intense THz pulses activate DNA damage response in human skin tissue Titova et al., Biomed. Opt. Express, 2013

THz ‐ es impulzusok alkalmazásai amplitude (a. u.) ) 1,0 1,0 E max 0,8 0,6 u.) 0 5 0,5 0,4 ctric field (a. u Spectral 0,2 0,0 0 1 2 3 Frequency (THz) 0,0 Elec -0,5 -2 0 2 4 6 8 time (ps) � Lineáris THz ‐ es spektroszkópia (E max ≈ 100 V/cm → 10 fJ impulzus energia) p p ( max / p g ) grafén, szén nanocsövek, molekuláris mágnesek, hidratált molekulák, stb. vizsgálata � Nemlineáris THz es spektroszkópia ( E � Nemlineáris THz ‐ es spektroszkópia ( E max ≈ 100 kV/cm → µJ impulzus energia) ≈ 100 kV/cm → µJ impulzus energia) THz pumpa – THz próba mérések � Töltött részecskék gyorsítása, manipulálása Töltött részecskék gyorsítása, manipulálása ( E max ≈ 100 MV/cm → 10 mJ impulzus energia) proton ‐ és relativisztikus elektronnyalábok gyorsítása, röntgen szabad ‐ elektron lézer, stb.

Rövid impulzusú THz ‐ es források [1] Daranciang et al., Appl. Phys. Lett., 2011 [2] Chiadroni et al., Appl. Phys. Lett., 2013 [3] Hauri et al., Appl. Phys. Lett., 2011 [4] Ruchert et al., Opt. Lett., 2012 [5] Fülöp et al., Opt. Lett., 2012 [6] Hirori et al., Appl. Phys. Lett., 2011 [7] Stepanov et al., Appl. Phys. B, 2010 [8] Blanchard et al., Opt. Express, 2007 [9] Sell at al., Opt. Lett., 2008 [10] Kim et al., Nature Photon., 2008 [11] Thomson et al., Opt. Express ,2010 [12] Rodriguez et al., Opt. Express, 2010 [13] Jones et al., Phys. Rev. Lett., 1993

Optikai egyenirányítás [ ] ω 2 α 2 2 2 2 d L I sinh L 4 A hatásfok függ … − α η = ⋅ L 2 ⋅ THz THz eff e THz [ [ ] 2 ] THz ε ε α α 2 3 n n v n n c c L L 4 4 0 THz THz η ∝ ω 2 � a THz frekvenciától: THz THz ( ) α ω d , , n � az anyagi paraméterekt ő l: THz eff ( ) ( ) ω = ω v v � a fázisillesztést ő l → sebességillesztés: g laser p THz Figure of merit (FOM): ω 2 2 2 2 2 2 d eff L I d eff L η η = = α THz L << 1 ff ff FOM FOM L << 1 ε THz NA 2 3 2 n n c n n 0 v THz v THz ω ω 2 2 2 8 8 d eff d I 4 4 d d η = = α THz L >> 1 eff eff ff FOM ε α α THz A 2 2 3 2 2 n n n n c v THz THz 0 v THz THz

Optikai egyenirányításra használható anyagok FOM d eff n g α THz Anyag n THz ( L = 2 mm) [cm ‐ 1 ] [pm/V] [pm/V] @ 800 nm (1.55 µm) @ 800 nm (1.55 µm) [cm ] [pm 2 cm 2 /V 2 ] 2 2 / 2 CdTe 81.8 (2.81) 3.24 4.8 11.0 GaAs 65.6 4.18 (3.56) 3.59 0.5 4.21 GaP 24.8 3.67 (3.16) 3.34 0.2 0.72 ZnTe 68.5 3.13 (2.81) 3.17 1.3 7.27 GaSe 28.0 3.13 (2.82) 3.27 0.5 1.18 168 2.25 (2.18) 4.96 17 18.2 sLiNbO 3 @ 300 K 4.8 48.6 @ 100 K DAST 615 3.39 (2.25) 2.58 50 41.5 Hebling et al., JOSA B, 2008 ( ) ( ) ( ) ( ) ω = ω → ω = ω v v n n Sebességillesztési feltétel: g laser p THz g laser THz

Döntött impulzusfrontú pumpálás Hebling et al., Opt. Express, 2002 H bli t l O t E 2002 � Sebességillesztés ( ( ) ) ( ( ) ) ( ) ( ) ω ⋅ γ = ω v cos v g laser p THz � Legnagyobb THz impulzuseneregia g gy p g ~100 fs asztali forrásból 0.25 μ J Stepanov et al., Opt. Express, 2005 10 10 μ J Yeh et al Appl Phys Lett 2007 μ J Yeh et al., Appl. Phys. Lett., 2007 50 μ J Stepanov et al., Appl. Phys. B, 2010 125 μ J Fülöp et al., Opt. Lett., 2012

Vonalfókusz és döntött impulzusfrontú pumpálás Hoffmann & Fülöp, J. Phys. D, 2011 Stepanov et al., Opt. Express, 2005

Lehet ő ségek a THz energia további növelésére � optimális pumpáló impulzushossz Fülöp et al., Opt. Express, 2011 � kristály h ű tése LiNbO 3 abszorpciós koefficiense: p 3 T [K] α [1/cm] 10 10 0 35 0.35 100 2.1 300 16 � kontakt rács használata Pálfalvi et al Appl Phys Lett 2008 Pálfalvi et al., Appl. Phys. Lett., 2008 Fülöp et al., Opt. Express, 2010 Ollmann et al., Appl. Phys. B, 2012 Oll Ollmann et al., in preparation t l i ti

Effektív kölcsönhatási hossz Pump propagation distance, ζ [mm] Impulzusfront ‐ d ő lés: -20 -10 0 10 20 ps] ε ε n n d d duration, τ [p (a) γ = − λ tan 2 λ n d g Pump pulse d 2 L d 1 szög ‐ anyagi LiNbO 3 LiNbO 3 diszperzió diszperzió diszperzió diszperzió P λ p = 800 nm F p = 5.1 mJ/cm 2 0 GVD paraméter: τ 0 = 50 fs Ω pm = 1 THz [%] τ 0 350 fs τ = 350 fs n efficiency [ ( ) 4 τ 0 = 600 fs − 1 ⎡ ⎤ d v 2 λ ε 2 d d n ⎛ ⎞ g = = − D n ⎜ ⎟ ⎢ ⎥ λ λ λ λ 2 d d c c ⎝ ⎝ d d ⎠ ⎠ λ λ d d ⎣ ⎣ ⎦ ⎦ (b) (b) Hz generation L L eff 2 Martínez et al., J. Opt. Soc. Am. A, 1984 Martínez et al., J. Opt. Soc. Am. A, 1984 TH 0 Hebling, Opt. Quantum Electron., 1996 -5 0 5 Fülöp et al., Opt. Express, 2010 THz propagation distance, z [mm]

A pumpáló impulzushossz optimalizálása (LiNbO 3 ) Fülöp et al., Opt. Express, 2011 3.0 3.0 300 K 300 K 300 K 300 K 300 K 300 K m] m] eld [MV/cm eld [MV/cm 2.5 2.5 100 K 100 K 2.8 MV/cm 10 K 10 K 10 2.0 2.0 2.3 MV/cm %] eak electric fi eak electric fi efficiency [ 1.5 1.5 5 1.0 1.0 2 0% 2.0% pe pe 1.0 MV/cm 1.0 MV/cm 0.5 0.5 240 kV/cm 240 kV/cm 0.0 0.0 0 0 0 0 0 500 500 500 500 1000 1000 1000 1000 1500 1500 1500 1500 0 0 500 500 1000 1000 1500 1500 pump pulse duration [fs] pump pulse duration [fs] pump pulse duration [fs] THz energia ≈ 25 mJ THz energia 25 mJ τ p = 500 fs THz térer ő sség: E p = 200 mJ 2.8 MV/cm fókuszálás nélkül I p, max = 40 GW/cm 2 2 → 10 MV/cm leképezéssel → 100 MV/cm fókuszálással