Ultrarövid infravörös és távoli infravörös (THz-es) fényimpulzusok előállítása és alkalmazása = Generation and application of ultrashort infrared and far-infrared (THz pulses) light pulses

摘要

A projekt célja olyan eszközök kutatása és fejlesztése volt, amelyek ultrarövid impulzusokat állítanak elő a közeli és a távoli infravörös spektrumtartományon. A közeli infravörös (1-1,5 mikrométer) impulzusokat az ultragyors kommunikációs eszközök, és az ezekben alkalmazott anyagok kutatásában és fejlesztésében lehet alkalmazni. A távoli infravörös (THz-es) impulzusok lehetővé teszik a kisenergiájú gerjesztések nagy időfelbontású dinamikájának vizsgálatát a szilárdtest fizika, a kémia és a biológia területén. Mindkét tartomány esetén, a széles körben elterjedt Ti:zafír lézerek fényimpulzusainak nemlineáris optikai frekvenciakonverziójával (OPO, illetve optikai egyenirányítás segítségével) állítottuk elő az impulzusokat. Legfontosabb eredményeink: - Minden eddiginél rövidebb (12 fs időtartamú) impulzusokat előállító OPO-t terveztünk. - Új elven, az ultrarövid pumpáló impulzusok intenzitásfrontjának dőlésén alapuló, optikai egyenirányítást felhasználó, néhány THz frekvenciájú impulzusokat előállító elrendezést terveztünk. Nemlineáris kristályként litium-niobátot alkalmazva, 0,5 mJ pumpáló energia esetén 260 nJ energiájú THz-es impulzusokat állítottunk elő, és 10 % kvantumhatásfokot értünk el. Ezek az értékek ezerszer (!) nagyobbak, mint amit valaha is elértek. - Részletesen megvizsgáltuk a litium-niobát fotorefrakciójának, valamint THz-es törésmutatójának és abszorpciójának a függését a Li/Nb aránytól és a (fotorefrakció csökkentésére használt) Mg tartalomtól. | The aim of the project was to research and develop devices producing ultrashort pulses on the near-infrared and far-infrared spectral region. The near-IR (1-1.5 micrometer) pulses can be used in the research and development of ultrafast communication devices and the materials used in them. The far-IR (or THz) pulses make it possible to investigate the dynamics of low energy excitations with high temporal resolution in the field of solid state physics, chemist and biology. For both region nonlinear frequency conversion (using optical parametric oscillator (OPO) and optical rectification, respectively) was used to produce the pulses. Our main results are: - Designing an OPO producing the shortest (12 fs) pulses. - Designing of a set-up producing THz pulses by accomplishing the optical rectification and a new idea, the tilting of the intensity front of the pump pulses. Using lithium-niobate as the nonlinear crystal THz pulses having 260 nJ energy were produced by pump pulses having 0.5 mJ energy. The quantum efficiency reached 10 %. These values are one thousand times (!) larger than what have been ever reached earlier. - We have investigated thoroughly the dependence of the photorefraction of lithium-niobate and its index of refraction and absorption on the Li/Nb ratio and the content of Mg (which is used to decrease the photorefraction).