Wissenschaftler des Max-Born-Instituts klären Mechanismus der THz Emission auf

Erzeugung von Terahertz-Strahlung durch ionisierende Zwei-Farben Femtosekunden Impulse in Gasen

Wissenschaftler des Max Born Instituts haben in Zusammenarbeit mit auswärtigen Kooperationspartnern den Grundmechanismus bei der Erzeugung von Terahertz- Strahlung in Gasen theoretisch aufgeklärt, einen experimentellen Nachweis für diesen erbracht sowie Möglichkeiten zur Kontrolle der THz Spektralparameter aufgezeigt. Als Terahertz-Strahlung (1Terahertz =1THz = 10¹²Hz =10¹² Schwingungen pro Sekunde) bezeichnet man Licht mit einer extrem großen Wellenlänge von ungefähr 0.3 mm. Eine Frequenz von 1 THz ist ungefähr 50mal größer als die Frequenz, bei der Handys arbeiten. Terahertz-Strahlung findet heute breite Anwendung in der Technik, etwa bei der drahtlosen Datenübertragung oder der Analyse von Materialien. Auch der sog. 'Nacktscanner' an Flughäfen benutzt THz-Strahlung zum Durchleuchten von Gegenständen. In der Forschung werden THz-Impulse extrem kurzer Dauer verwendet, um grundlegende Eigenschaften von Festkörpern und Flüssigkeiten zu untersuchen, z.B. den Ladungstransport und den elektrischen Widerstand.
Diese Untersuchungen erfordern die Erzeugung kurzer THz-Blitze, wofür man die Ionisation von Gasen durch ultrakurze Laserimpulse ausnutzen kann. Unter den verschiedenen Quellen zeichnet sich die THz Erzeugung mittels Zwei-Farben Femtosekunden Impulse in einem Gas durch hohe Feldstärken (bis in den MV/cm-Bereich) und große Spektralbreiten (bis oberhalb von 100 THz) aus. Obwohl bereits im Jahre 2000 entdeckt und inzwischen in vielen Arbeiten untersucht und angewandt, wird der Grundmechanismus ihrer Entstehung in der Literatur immer noch kontrovers diskutiert. Anfangs durch Gleichrichtung (rectification) infolge der Nichtlinearität dritter Ordnung in Gasen interpretiert, wurde später die THz Erzeugung mit der Entstehung eines Plasma Stroms im Zwei-Farben Laserfeld in Verbindung gebracht. Unsere theoretische Untersuchung [1] und die damit im Zusammenhang stehenden Experimente am MBI [2] zeigten, dass die THz- Ausstrahlung untrennbar mit dem stufenförmigen Anwachsen der Plasmadichte bei der Tunnelionisation nahe den Maxima der Feldstärkeamplitude der Pumpimpulse verursacht wird, wodurch ionisierte Elektronen in einer zeitlichen Folge diskreter Ionisationsereignisse im Attosekunden Bereich entstehen, die zur Ausstrahlung von THz Impulsen führt. Ihr Spektrum wird deshalb durch die Interferenz der Beiträge verschiedener Ionisationsereignisse bestimmt, wodurch sich eine bemerkenswerte Analogie mit der Beugungstheorie von Licht an einem Gitter ergibt.
Umfassende (3+1)-dimensionale numerische Computersimulationen bestätigten dieses Modell, das nicht nur eine Erklärung einer Reihe von experimentellen Beobachtungen, sondern gleichzeitig neue Möglichkeiten für die Steuerung der THz Parameter und die Formung gewünschter THz Spektren durch die zeitliche Kontrolle der Ionisationsereignisse (z. B. durch eine Frequenzverstimmung der beiden Zwei-Farben Pumpimpulse) ermöglicht [1]. Die Realisierung von Experimenten am MBI [2] ermöglichte dieses neue Verständnis der THz Ausstrahlung durch experimentelle Beobachtungen zu testen. Die Messungen der THz Spektren zeigten in Übereinstimmung mit (3+1)-dimensionalen Simulationen eine empfindliche Abhängigkeit vom Gasdruck, wodurch sich wichtige Einsichten in den Grundmechanismus der THz Ausstrahlung und dem Einfluss von Ausbreitungseffekten der Pumpwellen ergaben. Dabei spielt eine Plasma-induzierte Blauverschiebung der Pumpimpulse eine Schlüsselrolle bei der Verbreiterung der THz Spektren mit anwachsendem Gasdruck. Dies liefert andererseits eine experimentelle Bestätigung für den oben beschriebenen Mechanismus, wobei die THz Ausstrahlung direkt mit der stufenförmigen Modulation des Ionisationsstroms zusammenhängt.

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