Methoden
Laserentwicklung und nichtlineare optische Effekte zur Erzeugung abstimmbarer ultrakurzer Impulse
Die Erzeugung von ultrakurzen Impulsen (10-14 bis 10-12 s) mit hohe Spitzenleistungen (> 109 W) wird vor allem in Festkörperlasersystemen für unterschiedliche Anwendungen studiert. Die Arbeiten konzentrieren sich derzeit auf die Weiterentwicklung von mit Diodenlasern gepumpten Systemen. Die hohe Effizienz dieser Laser im Bereich von mehreren Prozent machen sie für den industriellen Einsatz besonders interessant.
Zur Erzeugung von Impulsen, die über weite Frequenzbereiche abstimmbar sind, wird die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie bei hohen Intensitäten verwendet. Diese sogenannte Dreiphotonenwechselwirkung ist die Grundlage parametrischer Oszillatoren. Neben Verfahren zur Erzeugung ultrakurzer Infrarotimpulse im Wellenlängenbereich von 1 µm bis ca. 20 µm stehen derzeit vor allem effiziente Verfahren zur Erzeugung der Farben Rot, Grün, Blau für die Bildprojektion im Vordergrund. Darüber hinaus wird auch die Nichtlinearität neuartiger keramischer Materialien untersucht.
Pikosekunden IR Spektrometer
Die Arbeitsgruppe befaßt sich mit zeit- und frequenzaufgelöster Infrarot-Spektroskopie von molekularen Prozessen, die auf der Pikosekunden-Zeitskala ablaufen.
Das experimentelle System, das diese Untersuchungen ermöglicht, benutzt verschiedene parametrische Frequenzkonversionsprozesse um die benötigten Frequenzkomponenten zu generieren. Ausgangspunkt ist ein modengekoppelter gepulster Nd:YLF-Laser, dessen Fundamentalfrequenz von 1047 nm in einem nichtliearen Kristall frequenzverdoppelt wird. Diese frequenzverdoppelte Komponente dient dazu, einen Optisch-Parametrischen Oszillator (kurz: OPO) mit einem KTP-Kristall als nichtlinearem Medium zu pumpen. Dadurch wird ein kontinuierlich abstimmbarer Wellenlängenbereich von etwa 1100 nm bis 1400 nm zugänglich. In einem weiteren parametrischen Frequenzkonversionsschritt wird nun aus einem verstärkten Einzelimpuls des Nd:YLF-Resonators und den Impulsen des OPO die entsprechende Differenzfrequenz erzeugt. Geeignete Kristallmaterialien für diesen Schritt sind Galliumselenid bzw. Silbergalliumsulfid. Somit stehen uns lückenlos abstimmbare Infrarotimpulse im Wellenlängenbereich zwischen 4 und 18 Mikrometer mit einer Impulsdauer von etwa 2 Pikosekunden zur Verfügung.
Gegenstand unserer Untersuchungen sind Lösungen von fluoreszenzfähigen Farbstoffmolekülen in niedermolekularen Lösungsmitteln wie Azeton, Alkoholen (Ethanol, Methanol) oder chlorierten Alkanen (Dichlormethan, Chloroform). Dabei werden IR-aktive Schwingungsmoden des Farbstoffs oder des Lösungsmittels resonant angeregt. Die weitere zeitliche Entwicklung läßt sich nun über einen zweiten, zeitlich verzögerbaren Laserimpuls, der die als Sonden dienenden Farbstoffmoleküle zur Fluoreszenz anregt, beobachten, da diese Fluoreszenz vom augenblicklichen Anregungszustand des Systems abhängt. Als Abfrageimpuls hierfür dient ein frequenzverdoppelter Einzelimpuls (523,5 nm) des Nd:YLF-Lasers. Damit lassen sich Energientransferprozesse von resonant angeregten Farstoffmolekülen auf das Lösungsmittel oder die Energieequilibrierung nach direkter Anregung von Lösungsmittelmolekülen studieren. In jüngerer Zeit stehen neben Farbstofflösungen in flüssigen Lösungsmitteln auch Untersuchungen an Farbstoff-dotierten Polymeren im Mittelpunkt des Interesses.
Zur Zeit wird das Pikosekunden-IR-Spektrometer um eine durchstimmbare Frequenzkomponente, die zum Abfragen der Fluoreszenz eingesetzt werden soll, erweitert. Damit wird eine größere Flexibilität bei der Wahl geeigneter Farbstoffsondenmoleküle erreicht. Ausgangspunkt hierfür wird ein zweiter Optisch-Parametrischer Oszillator sein, der abstimmbare Infrarotimpulse mit Wellenlängen zwischen 1047 nm und etwa 2000 nm liefert. Über die parametrische Erzeugung der Summenfrequenz mit einem verstärkten Einzelimpuls des Nd:YLF-Lasers werden abstimmbare Laserimpulse im sichtbaren Spektralbereich erzeugt.