Zeitbereichs-Spektroskopie Gruppe: Labore & Techniken
Zeitbereichs-Spektroskopie Techniken:
Die Untersuchung des Potentials der Zeitbereichs-Spektroskopie Techniken für Raumfahrtanwendungen, z.B. in robotischen Missionen, ist ein wichtiges neues Forschungsthema des Instituts. Die Forschung ist dadurch motiviert das im letzten Jahrzehnt kompakte, raumfahrt-taugliche Femtosekunden Laser verfügbar geworden sind. Damit wird es möglich Kurzpulslaser-basierte Spektroskopie Methoden, die in den letzten Jahrzehnten die Laboranalytik revolutioniert haben für die Raumfahrt aber auch terrestrische Anwendungen wir Umweltanalytik nutzbar zu machen. Diese Techniken decken einen sehr weiten Spektralbereich vom ultra-violetten zum tiefen Terahertz Spektralbereich ab und basieren auf modernen elektro-optischen, (nichtlinearen) photonischen Technologien. Diese Technologien erlauben es diesen enorm weiten Spektralbereich durch stroboskopische Verfahren mittels etablierter, robuster Laser und Detektoren im nahen-infrarot Spektralbereich abzudecken und damit komplizierte, opto-mechanische Spektrometer und komplexe (oft kryogene) Detektorprinzipien zu vermeiden. Zeitbereichstechniken haben den weiteren Vorteil das Sie prinzipiell chip-integrierbar sind. Ziel der derzeitigen Vorfeldforschung ist es breadboard Modelle für unterschiedliche Anwendungsfälle zu erstellen z.B. für geochemische Untersuchungen von planetaren Materialien oder als spektroskopische Gassensoren. Außerdem soll die Performanz im Vergleich zu konventionellen Techniken in der Frequenzdomäne wie Raman oder FTIR-Spektroskopie untersucht werden. Zurzeit fokussieren sich die Forschungsarbeiten auf zwei Techniken:
(i) Kohärente Phononen Spektroskopie (CPS), welche es erlaubt Materialien anhand ihres Raman-aktiven Phononen Spektrums/Phononenfingerabrucks zu detektieren. Dabei werden die Phononen Frequenzen durch die Modulation der komplexen dielektrischen Funktion in der Zeitdomäne detektiert.
(ii) Terahertz Time-Domain Spektroskopie (THz TDS), welche es erlaubt, die komplexe dielektrische Funktion von Materialien durch das Abtasten des elektrischen Feldes nach Wechselwirkung (Transmission, Reflektion, Streuung, Emission) mit dem Material zu bestimmen.
Kurzpulslaser Labor
Das Kurzpulslaser Labor ist ein klimatisiertes Labor das mit State-of-the-art Kurzpulslasersystemen ausgestattet ist, um Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Zeitbereichstechniken durchzuführen. Die folgenden Lasersysteme und Pulsparameter sind verfügbar:
1. Revolution Nd:YLF Laser
- Wellenlänge: 527 nm
- Pulsdauer: 150 ns
- Pulsenergie: 3 nJ
- Wiederholrate: 1 kHz
2. Vitara Laseroszillatorsystem
- Wellenlänge: 800nm
- Pulsenergie: 40fs
- Pulsenergie: 3nJ
- Wiederholrate: 78 MHz
3. Astrella Laserverstärkersystem
- Wellenlänge: 800nm
- Pulsenergie: 85fs
- Pulsenergie: 7mJ
- Wiederholrate: 1kHz
4. Opera Solo Optisches Parametrisches Verstärkersystem
- Wellenlänge: 1 – 20 µm
- Pulsdauer: ~ 100 fs
- Pulsenergie: 500 µJ @ 1µm to 5µJ @ 20µm
- Wiederholrate: 1kHz
Das Labor ist außerdem mit verschiedenen Instrumenten und Aufbauten ausgestattet, um die Pulseigenschaften zu charakterisieren wie z.B. Pulsenergiemeter, Interferometer oder Autokorrelatoren.
Fourier-Transform Infrarot Spektroskopie
Breitbandige Infrarot (IR) und Terahertz (THz) Spektroskopie kann in einem Spektralbereich zwischen 1 und 740 THz durchgeführt werden. Für die Messungen steht ein kommerzielles Bruker 80V FTIR-Spektrometer zur Verfügung welches zusätzlich mit Modulen für Raman- und Photolumineszenzspektroskopie nach Anregung mit einer Wellenlänge von 1064 nm ausgestattet ist. Infrarot/Terahertz Transmission- und Reflektionsmessungen sowie Raman- und Lumineszenzmessungen können an Festkörperproben routinemäßig durchgeführt werden. Proben können unter kryogenen Bedingungen bis zu einer Temperatur vermessen werden. Typische Untersuchungen erstrecken sich von Proben mit Relevanz für die Planetenforschung (z.B. Meteoriten, Proben von Sample Return Missionen, Analogmaterialien für Planetenoberflächen, gefrorene flüchtige Stoffe) zu Proben von Interesse für die Festkörpertechnologie (z.B. Silizium- und Diamantbasierte Optoelektronik, Photonik, Quantentechnologie). Weitere Projekte zielen darauf ab die infrarot-optischen Konstanten von Komponenten zu untersuchen die für verschiedene Raumfahrtinstrumentierungen diskutiert werden.
Referenzen:
S. G. Pavlov , D. D. Prikhodko , S. A. Tarelkin , V. S. Bormashov , N. V. Abrosimov , M. S. Kuznetsov, S.A. Terentiev, A. Nosukhin , Yu. Troschiev , V. D. Blank, H.-W. Hübers, “Resonant boron acceptor states in semiconducting diamond”, Phys. Rev. B 104, 155201 (2021).
S.G. Pavlov, L.M. Portsel, V.B. Shuman, A.N. Lodygin, Y.A. Astrov, N.V. Abrosimov, S.A. Lynch, V.V. Tsyplenkov, H-W Hübers, “Infrared absorption cross sections, and oscillator strengths of interstitial and substitutional double donors in silicon”, Phys. Rev. Mat. 5, 114607 (2021).
S.G. Pavlov, Y.A. Astrov, L.М. Portsel, V.B. Shuman, А.N. Lodygin, N.V. Abrosimov, H.-W. Hübers, "Magnesium-related shallow donor centers in silicon.", Materials Science in Semiconductor Processing 130, 105833 (2021).
D.D. Prikhodko, S.G. Pavlov, S.A. Tarelkin, V.S. Bormashov, M.S. Kuznetsov, S.A. Terentiev, S.A. Nosukhin, S.Y. Troschiev, H.-W. Hübers, V.D. Blank, "Large substitutional impurity isotope shift in infrared spectra of boron-doped diamond.", Phys. Rev. B 102, 155204 (2020).
(Nichtlineare) Terahertz Spektroskopie an Quantenmaterialien
Quantenmaterialien wie topologische Isolatoren, Graphen oder Halbleiter mit flachen Störstellen werden untersucht um Ihr Potential für die Anwendung in neuartigen, nichtlinearen photonischen Bauelementen wie THz Emitter oder THz Mischer. Zu diesem Zweck werden Hochfeld THz Pulse mit elektrischen Feldstärken von über 100 kV/cm durch optische Rektifikation von Femtosekundenlaserpulsen in nichtlinearen Kristallen erzeugt und es werden optimierte THz Time-Domain Detektionsysteme entwickelt, um die Effizienz für Frequenzmultiplikation und Frequenzmischung quantitativ bestimmen zu können. Messungen dieser Art werden außerdem regelmäßig an Hochfeld THz Anlagen wie TELBE (HZDR, Dresden) und FLASH (DESY, Hamburg) oder Infrarot Freie Elektronen Laser Anlagen wie FELIX (Radbourg Universität Nijmegen) und FELBE (HZDR, Dresden).
© Juniks, Dresden, CC-BY
Referenzen:
S. G. Pavlov, N. Deßmann, V. N. Shastin, R. Kh. Zhukavin, B. Redlich, A. F. G. van der Meer, M. Mittendorff, S. Winnerl, N. V. Abrosimov, H. Riemann, H.-W. Hübers, „Terahertz Stimulated Emission from Silicon Doped by Hydrogenlike Acceptors“, Phys. Rev. X 4, 021009 (2014).
H.A. Hafez, S. Kovalev, K.-J. Tielrooij, M. Bonn, M. Gensch, D. Turchinovich, "Terahertz Nonlinear Optics of Graphene: From Saturable Absorption to High-Harmonics Generation.", Adv. Opt. Mat. 8, 1900771 (2020).
N. Dessmann, N. H. Le, V. Eless, S. Chick, K. Saeedi, A. Perez-Delgado , S. G. Pavlov, A. F. G. van der Meer, K. L. Litvinenko, I. Galbraith, N. V. Abrosimov, H. Riemann, C. R. Pidgeon, G. Aeppli, B. Redlich, B. N. Murdin, “Highly efficient THz four-wave mixing in doped silicon”, Light Science and Appl. 10, 1 (2021).
S. Kovalev, H. A. Hafez, K.-J. Tielrooij, J.-Ch. Deinert, I. Ilyakov, N. Awari, D. Alcaraz, K. Soundarapandian, D. Saleta, S. Germanskiy, M. Chen, M. Bawatna, B. Green, F. H. L. Koppens, M. Mittendorff, M. Bonn, M. Gensch, D. Turchinovich, "Electrical tunability of terahertz nonlinearity in graphene.", Science Advances 7, eabf9809 (2021).
J.-Ch. Deinert, D. A. Iranzo, P. Pe ́ rez, X. Jia, H. A. Hafez, I. Ilyakov, ́N. Awari, M. Chen, M. Bawatna, A. N. Ponomaryov, S. Germanskiy, M. Bonn, F. H.L. Koppens, D. Turchinovich, M. Gensch, S. Kovalev, K.-J. Tielrooij, "Grating-Graphene Metamaterial as a Platform for Terahertz Nonlinear Photonics.", ACS Nano 15, 1145 (2021).
S. Kovalev, K-J. Tielrooij, J-C. Deinert, I. Ilyakov, N. Awari, M. Chen, A. Ponomaryov, M. Bawatna, T. VAG de Oliveira, L.M. Eng, K.A. Kuznetsov, D.A. Safronenkov, G. Kh. Kitaeva, P.I. Kuznetsov, H.A. Hafez, D. Turchinovich, M. Gensch, “Terahertz signatures of ultrafast Dirac fermion relaxation at the surface of topological insulators“, npj Quantum Materials 6, 84 (2021).
Z. Chen, C.B. Curry, R. Zhang, F. Treffert, N. Stojanovic, S. Toleikis, ... & S.H. Glenzer, "Ultrafast multi-cycle terahertz measurements of the electrical conductivity in strongly excited solids.", Nat. Comm. 12, 1 (2021).
Photonische Instrumentenentwicklung
Die Expertise in der Zeitbereichs-Spektroskopie Gruppe für Laserspektroskopie, Optik Design, Detektorentwicklung, Wissenschaftliches Programmieren, Photonendiagnose und Qualifikation von Spektrometerkomponenten wird in verschiedenen Themen- und Abteilungsübergreifenden Projekten am Institut für Optische Sensorsysteme benötigt. Aktuelle Beispiele sind die Beiträge zum MMX-RAX Projekt (Validierung des Optikdesigns, Qualifikation des Lasers und anderer optischer Komponenten), zu dem LIBS System auf dem ARCHES Rover (Kontrollsystem) und dem OSAS B Projekt (Software und Detektortechnologie). Die Gruppe entwickelte weiterhin einen Photoemssionsmikroskop zur Untersuchung von Integrierten Schaltkreisen in Kooperation mit und für kommerzielle Partner. Das entwickelte System zielt darauf an Grundlagenforschung an integrierten Schaltkreisen (IC´s) durchzuführen. Es kombiniert unterschiedliche abbildende Analyse Techniken in einem kompakten Aufbau um Sicherheitsmechanismen von IC´s gegen Manipulation und ungewollte Auslese zu untersuchen. Des Weiteren können auch Alterungsprozesse und Funktionsschäden untersucht werden.
Die Gruppe ist auch aktiv involviert an unterschiedlichen Projekten für sogenannte Lichtquellen der 4. Generation, wie z.B. den Freie Elektronen Laser in Hamburg (FLASH) oder die THz Anlage am ELBE Beschleuniger (TELBE), und ist an der Entwicklung von geeigneter Instrumentierung, z.B. für innovative Photonendiagnose, beteiligt. Ein Beispiel ist die Demonstration eines neuen Konzeptes für die Charakterisierung von Laserpulseigenschaften (Ankunftszeit, Pulsdauer, Pulsenergie) im Extremen Ultravioletten (XUV) Spektralbereich. Die XUV Pulse werden dabei in einem sogenannten spintronischen Emitter in den Terahertz Spektralbereich transformiert, wobei die XUV Pulseigenschaften aus den Terahertz Pulseigenschaften bestimmt werden können.
Referenzen:
S. Frohmann, E. Dietz, H. Dittrich, H.-W. Hübers, "Picosecond imaging of signal propagation in integrated circuits.", Av. Opt. Techn. 6, 137 (2017).
T. Tanikawa, S Karabekyan, S. Kovalev, S. Casalbuoni, V. Asgekar, S. Bonetti, S. Wall, T. Laarmann, D. Turchinovich, P. Zalden, T. Kampfrath, A.S. Fisher, N. Stojanovic, M. Gensch, G.A. Geloni, "Volt-per-Ångstrom terahertz fields from X-ray free-electron lasers.", Journ. Synch. Rad. 27, 796 (2020).
M. Chen, J.-C. Deinert, B. Green, Z. Wang, I. Ilyakov, N. Awari, M. Bawatna S. Germanskyi, T. V. A. G. De Oliveira, G. Geloni, T. Tanikawa, M. Gensch, S. Kovalev, "Pulse- and field-resolved THz-diagnostics at 4th generation lightsources.", Opt. Exp. 27, 375675 (2019).
T. Oelze, O. Kulyk, B. Schütte, U. Frühling, E. Klimešová, B. Jagielski, L. Dittrich, M. Drescher, R. Pan, N. Stojanovic, V. Polovinkin, K. P. Khakurel, K. Muehlig, I. J. Bermudez Macias, S. Düsterer, B. Faatz, J. Andreasson, M. Wieland, and M. Krikunova, "THz streak camera performance for single-shot characterization of XUV pulses with complex temporal structures.", Opt. Exp. 28, 20686 (2020).
I. Ilyakov, N. Agarwal, J.-C. Deinert, J. Liu, A. Yaroslavtsev, L. Foglia, G. Kurdi, R. Mincigrucci, E. Principi, G. Jakob, M. Kläui, T. S. Seifert, T. Kampfrath, S. Kovalev, R. E. Carley, A. O. Scherz, and M. Gensch, "Terahertz-wave decoding of femtosecond extreme-ultraviolet light pulses", Optica 9, 545-550 (2022).