Nemlineáris optika és spektroszkópia a távoli infravörös (THz) tartományon

Hasonló dokumentumok
Terahertzes óriásimpulzusok az ELI számára

Nagyenergiájú terahertzes impulzusok előállítása és alkalmazása (az ELI-ALPS-ban) Lehetőségek és kihívások

PÉCSI TUDOMÁNYEGYETEM. Oxidkristályok lineáris terahertzes. spektroszkópiai vizsgálata. Unferdorben Márta

alkalmazásaik MTA PTE Nagyintenzitású Terahertzes Kutatócsoport, Pécs 2 Pécsi Tudományegyetem, Fizikai Intézet, Pécs 3

Dept of Experimental Physics. fényforrásai. Fülöp József e mail: fulop@fizika.ttk.pte.hu. MAFIHE Téli Iskola, Szeged, február 3.

A projekt eredetileg kért időtartama: 2002 február december 31. Az időtartam meghosszabbításra került december 31-ig.

PÉCSI TUDOMÁNYEGYETEM. Impulzushossz és hőmérséklet hatásai nagyenergiájú lítium-niobát alapú terahertzes forrásokra.

Bordács Sándor doktorjelölt. anyagtudományban. nyban. Dr. Kézsmárki István Prof. Yohinori Tokura Prof. Ryo Shimano

PÉCSI TUDOMÁNYEGYETEM. Oxidkristályok lineáris terahertzes spektroszkópiai vizsgálata. Unferdorben Márta

VÍZGŐZKONCENTRÁCIÓ-MÉRÉS DIÓDALÉZERES FOTOAKUSZTIKUS MÓDSZERREL

Dr. Pálfalvi László szakmai önéletrajza

Publication list. Refereed Journals

PÉCSI TUDOMÁNYEGYETEM. Ultrarövid fényimpulzusok előállítása az infravörös és az extrém ultraibolya tartományon. Tóth György. Dr.

THS710A, THS720A, THS730A & THS720P TekScope Reference

Mágnesség és elektromos vezetés kétdimenziós

Femtoszekundumos felületi plazmonok által keltett elektronnyalábok vizsgálata

1. Az első magyarországi THz-es laboratórium felépítése

X-FROG, GRENOUILLE. 11. előadás. Ágazati Á felkészítés a hazai ELI projekttel összefüggő ő képzési é és K+F feladatokra"

Válasz Dr. Dzsotjan Gagik bírálatára

Nagyintenzitású lézerfény - anyag kölcsönhatás. Lézer- és gázkisülésfizika

A évi fizikai Nobel-díj

THE CHARACTERISTICS OF SOUNDS ANALYSIS AND SYNTHESIS OF SOUNDS

Digitális mikrofluidika THz-es képalkotáshoz

Unification of functional renormalization group equations

Lézerek. A lézerműködés feltételei. Lézerek osztályozása. Folytonos lézerek (He-Ne) Impulzus üzemű lézerek (Nd-YAG, Ti:Sa) Ultrarövid impulzusok

Spin Hall effect. Egy kis spintronika Spin-pálya kölcsönhatás. Miért szeretjük mégis? A spin-injektálás buktatói

AS-i illesztő-tápegység Pick-to Light rendszerekhez. Kábel keresztmetszet

PÉCSI TUDOMÁNYEGYETEM. Extrém nagy hatásfokú félvezető anyagú terahertzes források

A FOTOAKUSZTIKUS SPEKTROSZKÓPIA SZÉLESKÖRŰ ALKALMAZHATÓSÁGÁNAK ALÁTÁMASZTÁSA AZ IPARBAN, A BIOLÓGIÁBAN ÉS A KÖRMYEZETVÉDELEMBEN

Az ELI projekt ( szuperlézer ) Dombi Péter

Hang és ultrahang. Az ultrahangos képalkotás, A-, B- és M-képek. Doppler-echo. Echo elv - képalkotás. cδt = d+d = 2d

FORD FOCUS FOCUS_2016_V8_MASTER_240x185 Cover.indd /10/ :52:23

A femtoszekundumos lézerektől az attoszekundumos fizikáig

Rezgésdiagnosztika. Diagnosztika

Physics of ultrasonography

VALÓS HULLÁMFRONT ELŐÁLLÍTÁSA A SZÁMÍTÓGÉPES ÉS A DIGITÁLIS HOLOGRÁFIÁBAN PhD tézisfüzet

Az NMR és a bizonytalansági elv rejtélyes találkozása

Ponthibák azonosítása félvezető szerkezetekben hiperfinom tenzor számításával

Regularization of an autoconvolution problem in ultrashort laser pulse characterization

MF-U mérőmikroszkóp (D-generáció)

A LÉZERES RÉSZECSKEGYORSITÁS MÚLTJA ÉS JELENE

Attoszekundumos impulzusok keltése és alkalmazásai

SPECIÁLIS EXCIMER LÉZEREK

Lézerek és alkalmazásai, lézerfizikai kutatások Szegeden

Construction of a cube given with its centre and a sideline

Lengyel Krisztián. OH rezgések abszorpciójának vizsgálata oxidkristályokban

Lehet-e tökéletes nanotechnológiai eszközöket készíteni tökéletlen grafénból?

Supporting Information

A katalógusban szereplő adatok változásának jogát fenntartjuk es kiadás

Gerhátné Udvary Eszter

Suppl. Materials. Polyhydroxyalkanoate (PHA) Granules Have no Phospholipids. Germany

Optikai mérési módszerek

fajtái anyagmegmunkálás anyagmegmunk

OH ionok LiNbO 3 kristályban (HPC felhasználás) 1/16

MAKING MODERN LIVING POSSIBLE. Danfoss Heating Solutions

Supplementary materials to: Whole-mount single molecule FISH method for zebrafish embryo

A HÉLIUM AUTOIONIZÁCIÓS ÁLLAPOTAI KÖZÖTTI INTERFERENCIA (e,2e) KÍSÉRLETI VIZSGÁLATA

discosnp demo - Peterlongo Pierre 1 DISCOSNP++: Live demo

Optikai kapcsolók Dr Berceli Tibor Kapcsolási elvek

Kezdőlap > Termékek > Szabályozó rendszerek > EASYLAB és TCU-LON-II szabályozó rendszer LABCONTROL > Érzékelő rendszerek > Típus DS-TRD-01

Döntött impulzusfrontú gerjesztésen alapuló terahertzes impulzusforrások optimalizálása

i1400 Image Processing Guide A-61623_zh-tw

Mikroszerkezet Krisztallitonként Tömbi Polikristályos Mintában

Ömlesztett kvarc szubmikrométeres megmunkálása lézeres hátoldali folyadékos maratással

Napenergia potenciál térképezése Debrecenben légi LIDAR adatok és légifelvételek alapján

A fényforrások fejlődése október 9.

DIELEKTROMOS JELLEMZÔK MEGHATÁROZÁSA A THZ-ES FREKVENCIATARTOMÁNYBAN

Ultrahang és elektromos impulzusok alkalmazása

Atomok és fény kölcsönhatása a femto- és attoszekundumos időskálán

HAL SST CL P 30 W 230 V E14

MPEG-1 MPEG-2.

Ultragyors fényindukált folyamatok és optikai mikromanipuláció a biológiában. Groma Géza

HIGANYMENTES DBD FÉNYFORRÁSOK FEJLESZTÉSE. Beleznai Szabolcs. Témevezet : Dr. Richter Péter TÉZISFÜZET

Pro sensors Measurement sensors to IP Thermo Professional network

Fotoindukált változások vizsgálata amorf félvezető kalkogenid arany nanorészecskéket tartalmazó rendszerekben

Protoncserélő membrános hidrogén - levegő tüzelőanyag-cellák működési elve, szabályozása és alkalmazása

F1301 Bevezetés az elektronikába Félvezető diódák

Válasz Dr. Richter Péter bírálatára

AZ ACETON ÉS AZ ACETONILGYÖK NÉHÁNY LÉGKÖRKÉMIAILAG FONTOS ELEMI REAKCIÓJÁNAK KINETIKAI VIZSGÁLATA

FIATAL MŰSZAKIAK TUDOMÁNYOS ÜLÉSSZAKA

Plazma tükrök teljes karakterizálása valamint egylövéses hordozó-burkoló fázis detektor kifejlesztése. Wittmann Tibor

A HULLÁMFÜGGVÉNY TUDATTÓL FÜGGETLEN REDUKCIÓJA Elfogult sorok Károlyházy Frigyesrôl

Formula Sound árlista

Raman spektroszkópia. Történet Két leirás: Eldines, kvantumos Kiválasztási szabályok Szimmetriák Raman Intenzitás Rezonáns Raman

Results of a PSA with a BEGe Detector for the GERDA 0νββ. νββ-decay Experiment

Kvantum kontrol frekvencia csörpölt lézer indukált kónikus keresztez désekkel

Fényipar ; optikai módszerek és alkalmazásaik. Szabó Gábor, egyetemi tanár SZTE Optikai és Kvantumelektonikai Tanszék

Számítógépes Hálózatok és Internet Eszközök


KS HORDOZHATÓ KIVITEL

4-42 ELECTRONICS WX210 - WX240

Alapsáv és szélessáv. Számítógépes Hálózatok Amplitúdó-moduláció. Szélessáv

OPTOELEKTRONIKAI ESZKÖZÖK ÉS INFORMÁCIÓ-TECHNOLÓGIAI ALKALMAZÁSAIK. PhD tézisfüzet KÉSZÍTETTE: REMÉNYI JUDIT

A kerámiaipar struktúrája napjainkban Magyarországon

A nagy teljesítõképességû vektorhajtások pontos paraméterszámításokat igényelnek

Sterilizálásra és felületkezelésre alkalmazható utókisülési plazmák modellezése. zárójelentés

Képalkotás és spektroszkópia THz-es sugárzással: a Csillagászattól az orvosi alkalmazásokig

ADATKOMMUNIKÁCIÓ. EDM-2003B (12p electr. + 12p opt. 10/100/1000Mb; OSI Layer 2-7; IPTV; SSL)

Középfeszültségű gázszigetelésű kapcsolóberendezések villamos szilárdsági méretezése. Madarász Gy. - Márkus I.- Novák B.

Munkabeszámoló. Sinkovicz Péter. Témavezető: Szirmai Gergely. Kvantumoptikai és Kvantuminformatikai Osztály. Lendület program

Átírás:

Nemlineáris optika és spektroszkópia a távoli infravörös (THz) tartományon High Power THz Generation, THz Nonlinear Optics, and THz Nonlinear Spectroscopy CLEO8 invited talk Hebling János PTE Kísérleti Fizika Tanszék

THz-es sugárzás, T-sugarak

THz imaging Based on transmission through or reflection off objects Metals reflect, various materials absorb Sensitivity to material type & composition THz transmission reveals contents THz reflection reveals contents THz imaging of metal, ceramic, & explosives inside the sole of a shoe Detection inside containers, shoes, etc.

THz fingerprinting Organic molecules & crystals show distinct THz absorption Crystal lattice vibrations at THz frequencies RDX molecules in crystal unit cell THz intermolecular vibrations THz spectra of common explosives THz spectra reveal specific organic materials

MDMA, Metamfetamin, aszpirin K. Kawase et al: Opt. Express 11, 549 (3)

Töltésmozgás bakteriorodopszinban G. I. Groma et al.: Proc. Nat. Acad. Sci. 15, 6888 (8)

Nagyintenzítású THz-es impulzusok előállítása Szabadelektron lézer Lézerrel keltett plazma Optikai egyenirányítás, átalakítási hatásfoka függ: ω THz (η ~ ω THz ) fázisillesztés sebességillesztés anyagi paraméterek η THz ω d = ε n n v eff THz L I exp α 3 c THz L v = gr vis v ph THz sinh α THz L 4 α THzL 4 α THz L << 1 α THz L>> 1 ω d η THz = ε n n η = THz ε n v v eff L THz 8ω d n c I 3 I eff THzαTHz c 3 d eff FOM SA nnir FOM LA n NIR 4d n n eff THz L THz α THz

Material FOM értékek mm kristályhosszt feltételezve gr gr d eff n 8 nm n n THz 1.55μm (pm/v) THz (cm -1 ) α FOM (pm cm /V ) CdTe 81.8 3.4.81 4.8 11. GaAs 65.6 4.18 3.59 3.56.5 4.1 GaP 4.8 3.67 3.34 3.16..7 ZnTe 68.5 3.13 3.17.81 1.3 7.7 GaSe 8. 3.13 3.7.8.5 1.18 slinbo 3 sln 1K 168.5 4.96.18 17 3. 18. 14 DAST 615 3.39.58.5 5 41.5 Velocity matching condition: v = v n = gr NIR ph THz gr NIR n THz

Fotórefrakció elnyomása Z-scan mérés Magnéziummal történő szennyezés egy küszöbszint felett (amely 5% kln és.6% szln esetén) megszünteti a fotórefrakciót L. Pálfalvi et al.: Appl. Phys. Lett 8, 45 () L. Pálfalvi et al.: J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 5, 8 (3) L. Pálfalvi et al.: J. Appl. Phys. 95, 9 (4) L. Pálfalvi, et al.: Appl. Phys. B 78, 775 (4) LN THz-es abszorpciója és törésmutatója FT spektrométer: Bruker 113V Kongruens és sztöchiometrikus LN Hőmérséklet és Mg koncentráció függés L. Pálfalvi et al.: J. Appl. Phys. 97, 1355 (5)

Velocity matching by tilting of the pump pulse front J. Hebling et al: Optics Exp. 1, 1161 () THz radiation excited along the tilted pulse front propagates perpendicularly to this front velocity matching condition: gr ph v vis cos γ = vthz

Experimental results Appl. Phys. Lett. 83, 3 (3), Appl. Phys. B 78, 593 (4) THz pulse energy at ( 77/3 K ) : 4/1 pj peak electric field: 7 kv/cm, photon conversion efficiency: 3.4 % EOS signal (r. u) 5 Amplitude FFT (r. e.) 1..8.6.4.. 1 3 Frequency (THz) -5-4 6 8 Time (ps)

Scaling-up the THz pulse energy Opt. Express 13, 576 (5) 1 3 4 5 Pump energy (μj) 1 THz pulse energy (nj) 1 1 Tilted pulse Line focus Tilted pulse 5 4 3 1 Efficiency (1-4 ).1 Pump energy (μj) 1 3 4 5 E THz = 4 nj, η ph = 1 %, electric field > 1 kv/cm

High power THz systems at MIT 1 MHz 1 khz 1 Hz APL 93, 14117 (8) Opt. Com. 81, 3567 (8) APL 9, 17111 (7) E pump (mj).14 5.6 18 E THz (μj) P aver (mw).5 3. 1.5 3..1 P peak (MW).5 3 5 I (MW/cm ) 15 F (kv/cm) 6 3 >4 η ph (%) 18 45

Nonlinear THz transmission, Nonlinear optics 1 khz THz pump THz probe I THz = 15 MW/cm, E=5 kv/cm

THz nonlinear spectroscopy Semiconductor nanostructures or bulk semiconductors at low temperature. Free electron laser, not time resolved or 1 ps resolution. Intensity: <1 W/cm 1 kw/cm. S. D. Ganichev and W. Prettl: Intense Terahertz Excitation of semiconductors, Oxford Uni. Press 6 Single-cycle THz pulse ionization of Rydberg states, E kv/cm (I=1 MW/cm ). R. P. Jones et al., Phys. Rev. Lett. 7, 136 (1993) Ionization of impurity Rydberg sates in GaAs, E 7 kv/cm, P. Gaal et al., Phys. Rev. Lett. 96, 1874 (6) Investigation of polaron internal motion in GaAs, E = kv/cm, P. Gaal et al., Nature 45, 11-113 (7) At MIT nonlinear THz transmission and THz pump THz probe set up with I THz = 15 MW/cm

THz nonlinear optics Extra large second order nonlinearity on the microwave range (below lattice resonance). Phys. Rev. Lett. 6, 387 (1971) (56 GHz) Resonance enhancement of THz second order nonlinearity. CO pumped CH 3 F laser, 4 ns, mj, 15 kv/cm. Phys. Rev. B 33, 6954 (1986) Theory of third order nonlinearity below lattice resonance. Progr. Quant. Electr. 4, 71(1976) Third harmonic generation by free carrier anharmonicity in semiconductors. Phys. Rev. B 33, 696 (1986) At MIT observation of second- and third order nonlinearity using singlecycle THz pulses with I THz = 15 MW/cm

Szabadelektron abszorpció telítődése n- típusú germániumban Electric field (a. u.) 8 6 4 Absorption (cm -1 ) 1 1 8 6 4 Ref. 1% 33% 7%.5 1. 1.5. Frequency (THz) - 4 6 Time (ps)

J. Hebling et al.: Phys. Rev. Lett. (beküldve) 5 T electron -T lattice 1 1 1 1 5 GaAs absorption (cm -1 ) 15 1 5 4 3 1 Ge absorption (cm -1 ) 1E-3.1.1 1 THz energy (μj)

A. Mayer, F. Keilmann: Phys. Rev. B 33, 696 (1986), CO pumped CH 3 F laser 4 ns, mj, 15 kv/cm α ~ μ (~1/m*) E Δ =E L +.18 ev

Abszorpció feléledése n-típusú germániumban ln(α) 15 14 13 1 11 1 9 8 7 6 5 4 3 - -1 1 3 4 5 Probe delay (ps)

Ütközési ionizáció, alagút ionizáció C. Zener: Proc. Roy. Soc. A 145, 53 (1934) L. Esaki: Phys. Rev. 19, 134 (1958) InSb undoped 45 um 8K 35 3 deg deg 3 deg 45 deg eff absorption (cm-1) 5 15 1 5-1 1 3 4 5 probe delay (ps)

Lattice anharmonicity THz gen. saturation, THz harmonic generation? Electric field (a. u.) 1-1 red: 9.5 x I p blue: I p x 9.5-1 3 4 5 6 7 Time (ps)

J. Hebling et al.: IEEE J. Sel. Top. Quant. Elect. 14, 343 (8) 1 Amplitude spactrum.1 red: 9.5 x I p blue: I p, x 9.5.1..74 1.48..96 3.7 4.44 5.18 5.9 Frequency (THz) G. D. Boyd: Phys. Rev. B 7, 5345 (1973), LiNbO 3 : do = 4, deo = 181, dm = 5,87 pm/v LiTaO 3 : dm = 18,6 pm/v, BaTiO 3 : dm = 97, pm/v

Self-phase modulation in the THz source sln at 1 K J. Hebling et al.: IEEE J. Sel. Top. Quant. Elect. 14, 343 (8) Electric Field (a. u.).4.. Ampl. spectr., Ratio 5 4 3 1 1 3 Frequency (THz) -. 3 6 9 1 Time (ps)

Self-phase-modulation in mm thick external sln at 1 K 1. Ultrafast Phenomena 8 Tóth György: poszter Normalized electric field strength.5. -.5-1. -1.5 measured original measured transmitted simulated, n = m /W sim., n =5.4*1-1 cm /W 1 3 4 5 6 Time (ps)

1. 1. T = 1 K Ref 4 * LN Transm 1. 1. Spectra (a.u.).8.6.4.8.6.4 External transmission.....5 1. 1.5. Frequency (THz).

Tilted-pulse-front THz generation set up without imaging Appl. Phys. Lett. 9, 17117 (8) There is no limit for lateral size!

Limitations of nonlinear pulse propagation description Slowly-varying-envelope approximation: A z << k A A t << ω A Slowly-evolving-wave approximation: A z << k A dk k << dω ω k Electric field strenght (a. u.) Spectral amplituide (a. u.) 1..5. -.5-1. 1..8.6.4. 1 khz x - 4 Time (ps). 1 3 Frequency (THz) Phys. Rev. Lett. 78, 38 (1997) Direct sensing of anharmonic potential!

High energy THz group at MIT Keith A. Nelson János Hebling Matthias Hoffmann Harold H. Hwang Ka-Lo Yeh

Collaborators G. Almási, B. Bartal, J. A. Fülöp, L. Pálfalvi, Gy. Tóth Department of Experimental Physics, University of Pécs, Hungary Idea of tilted-pulse-front THz exc., new set-up, simulations A. G. Stepanov and J. Kuhl Max-Planck-Institute for Solid State Research, Stuttgart, Germany First experimental demonstration I. Z. Kozma and E. Riedle Lehrstuhl für BoiMolekulare Optik, LMU München, Germany Scaling-up the THz energy K. Polgár and Á. Péter Institute for Solid State Physics, Budapest, Hungary Mg doped sln crystals

Nonlinearity of free electrons Linear (red) and nonlinear (blue) absorption spectrum of GaAs Absorption coefficient (cm -1 ) 1-1 n-type GaAs (Si doped) [1],.4 mm 8.6x1 15 cm -3-1 3 4 Frequency (THz)

Abszorpció feléledése Si-ban, szennyezés ionizálása n- típusú (P szennyezés) Si,.8 mm Probe delay (ps) - -1 1 3 4 5 E 1.4E.E Absorption coefficient (cm -1 ) 8 6 4 Electric field (a. u.) 4 Time (ps) - -1 1 3 14xProbe Pump -

THz pump probe, n-type Ge Absorption α [cm -1 ] 1 1 8 6 4 probe delay 5.74 ps 3.93 ps.61 ps 1.47 ps.5 pa Linear absorption..5 1. 1.5. Frequency (THz)

E Δ =E L +.18 ev Ge E L =E Γ +.36 ev GaAs E L =E X +.89 ev Si

THz pump THz probe measurement Reference Germanium Time (ps) - -1 1 Time (ps) - -1 1 - Ref. - Ge -1-1 Probe delay (ps) 1 3 1 3 4 4 5 5

red: Ref blue:.5xge, -6.8 ps 4 45 o 5 % 4 3 o 56% - - -3 - -1 1 3-3 - -1 1 3 4 6 o 6 % 4 o 1 % - - -3 - -1 1 3 Time (ps) -3 - -1 1 3 Time (ps)

THz absorption smallest for sln with.6% Mg doping level α (cm -1 ) 5 4 3 sln, 1 K.% Mg.6% Mg 1.5% Mg 4.% Mg 1 1 3 4 5 ν (THz)

1..5. -.5-1. 1..8.6.4.. 1 khz x - 4 Time (ps) 1 3 Frequency (THz) Spectral amplituide (a. u.) Electric field strenght (a. u.)

Shaped THz waveforms Optical pulse sequence THz pulse sequence HR PR Pump Laser K.-L. Yeh et al, Opt. Commun. (8) Versatile optical pulse shaper now installed