Nonlinear optics and spectroscopy on the THz (far-infrared) range  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
76101
Type K
Principal investigator Hebling, János
Title in Hungarian Nemlineáris optika és spektroszkópia a THz (távoli infravörös) tartományon
Title in English Nonlinear optics and spectroscopy on the THz (far-infrared) range
Keywords in Hungarian terahertz, nemlineáris optika, nemlineáris spektroszkópia, ultragyors folyamatok
Keywords in English terahertz, nonlinear optics, nonlinear spectroscopy, ultrafast processes
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)90 %
Ortelius classification: Experimental physics
Biophysics (Council of Physical Sciences)10 %
Panel Physics 1
Department or equivalent Department of Experimental Physics (University of Pécs)
Participants Almási, Gábor
Fülöp, József András
Groma, Géza
Kuhlevszkij, Szergej
Makkai, Géza
Mechler, Mátyás Illés
Pálfalvi, László
Starting date 2009-01-01
Closing date 2011-12-31
Funding (in million HUF) 21.500
FTE (full time equivalent) 5.72
state closed project
Summary in Hungarian
Az ún. THz-es sugárzás a 0,1 – 10 THz frekvencia tartományával (30 – 3000 um hullámhossz) az elektronika frekvenciatartománya felett, de a hagyományos optika frekvencia-tartománya alatt helyezkedik el. A THz-es (vagy távoli infravörös) spektroszkópia az utóbbi években gyors fejlődésen ment keresztül. Egyaránt használják, szupravezetők vizsgálatára, kémiai izomerek megkülönböztetésére, és DNS azonosításra.
A THz-es sugárzás sok alkalmazását az teszi lehetővé, hogy (ellentétben a látható fénnyel) nem csak intenzitásának, de elektromos terének az időbeli lefutását is meg lehet mérni elektro-optikai mintavételezéssel.
Képalkotáshoz és nemlineáris spektroszkópiához nagyenergiájú THz-es impulzusokra van szükség. Egy éve THz-es impulzusok energiáját sikerül 10 µJ fölé növelnünk döntött impulzusfrontú ultrarövid lézer impulzusok optikai egyenirányításával. Ez a THz-es energia több mint 1000-szer nagyobb, mint amit valaha is elértek optikai egyenirányítással. Nemrégiben elsőként sikerült biológiai objektum (bakterio-rodopszin) által kibocsátott THz-es sugárzást mérnünk.

A pályázat célkitűzései:
1. Felépíteni az első magyarországi THz-es laboratóriumot.
2. Tovább növelni a THz-es impulzusok energiáját.
3. Nemlineáris THz-es spektroszkópia különböző mintákon. Ferroelektromos kristályok rácspotenciál-anharmonikusságának kísérleti meghatározása. Megvizsgálni mi okozza az átalakítási hatásfok nagy pumpáló energiáknál megfigyelt csökkenését.
4. Közeltér THz-es optikai kísérletek tervezése, előkísérletek végzése.
5. Különböző bakterio-rodopszin mutánsok által kibocsátott THz-es sugárzás időbeli lefutásának pontos meghatározása.
Summary
The THz radiation with its 0.1 – 30 THz (or 3.3 – 1000 cm-1) frequency range (equivalent to 10 – 3000 um wavelength) lies above the frequency range of electronics, but below the range of traditional optics. In the last years THz (or far-infrared) spectroscopy has developed fast. It is used for example for investigation of high temperature superconductors, distinguishing of chemical isomers and determining of DNA.
Many applications of THz pulses exist, since (in contradiction to visible pulses) not only the temporal shape of their intensity, but the temporal shape of their electric field can be measured by electro-optic sampling.
Imaging and nonlinear spectroscopy needs high energy THz pulses. Last year we scaled-up the THz pulse energy to above 10 µJ by optical rectification of ultrashort laser pulses with tilted pulse front. This THz pulse energy is more than 1000 times larger than the energy ever obtained by optical rectification. Very recently we have succeeded for the first time to detect THz radiation emitted by a biological object (bacteriorhodopsin).

The goals of the present proposal are:
1. Build-up the first time resolved THz research laboratory in Hungary.
2. Scaling-up further the THz pulse energy.
3. Nonlinear THz spectroscopy on different samples. The experimental determination of lattice anharmonicity of ferroelectric crystals. Investigation of the reason of the conversion efficiency drop observed by us at high pump energies.
4. Design and perform preliminary experiment on near-field THz optics.
5. Accurate determination of the temporal shape of THz radiation emitted by different mutants of bacteriorhodopsin.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Felépítettük az első magyarországi THz-es laboratóriumot. Ez egy nem OTKA forrásból vásárolt, 1 mJ energiájú impulzusok 1 kHz-el történő előállítására alkalmas diódapumpált szilárdtest lézeren alapul. Ezeknek az impulzusoknak az optikai egyenirányításával nagyobb, mint 0.5 mikroJ energiájú egyciklusú THz-es impulzusokat állítunk elő. Ezekkel nemcsak lineáris időbeli terahertzes spektroszkópiai (TDTS) méréseket, hanem nemlineáris TDTS méréseket is tudunk végezni. Modellszámításokkal megmutattuk, hogy a korábban használtnál hosszabb pumpáló lézerimpulzusokkal (jelentősen nagyobb hatásfokkal) jelentősen nagyobb THz-es impulzusenergiák érhetők el. Ezt az elméleti eredményt kísérletileg bizonyítottuk, 125 mikroJ (világrekord) energiájú THz-es impulzusokat állítottunk elő. A modellszámítások szerint a kristály hűtése további jelentős energianövekedést fog eredményezni. Megterveztünk egy kontaktrácsos elrendezést, amellyel több mJ energiájú THz-es impulzusokat lehet majd előállítani. Ezek fókuszálásával várhatóan 100 MV/cm térerősséget is el lehet majd érni. Modellszámításokkal megmutattuk, hogy több 10 MV/cm maximális térerősségű THz-es impulzusokkal többszázszorosan meg lehet növelni a magas-harmonikus keltés hatásfokát a levágási frekvencia közelében, el lehet érni, hogy csak egy attoszekundumos impulzus keletkezzen pumpáló ciklusonként, 100 fs hosszú 10 fC töltésű relativisztikus elektroncsomagot össze lehet nyomni 100 as-ra.
Results in English
The first Hungarian THz laboratory has been built up. It is based on a DPSS pump laser with 1 mJ pulse energy and 1 kHz repetition rate (purchased from non-OTKA funding). By OR of these pump pulses, single-cycle THz pulses with larger than 0.5 μJ energy have been generated. These THz pulses can also be used to nonlinear time-domain THz spectroscopy (TDTS) measurements, besides linear TDTS measurements. We have shown by model calculations that by using pump pulses with pulse duration longer than used previously, the THz pulse energy can be significantly increased with a simultaneous increase of the THz generation efficiency. This theoretical prediction has been experimentally verified. We have generated THz pulses with the highest so far 125 μJ energy. Our calculations predict additional substantial increase in the THz energy by cooling the nonlinear crystal. A contact grating setup has been designed, which will enable the generation of THz pulses with multi-mJ energy. 100 MV/cm peak electric field is expected by focusing these THz pulses. We have shown by model calculations that the efficiency of high-order harmonic generation in the cut-off region can be increased several 100 times by using THz pulses with multi-10-MV/cm peak electric field. Also, in such a THz-assisted scheme, single attosecond pulses can be generated in each optical cycle of the driving field. 100 fs long relativistic electron bunches with 10 fC charge can be compressed to 100 as.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=76101
Decision
Yes





 

List of publications

  
J. A. Fülöp, L. Pálfalvi, S. Klingebiel, G. Almási, F. Krausz, S. Karsch, J. Hebling: Generation of sub-mJ terahertz pulses by optical rectification, Optics lett. 37, 557, 2012
J. A. Fülöp, L. Pálfalvi, M. C. Hoffmann, J. Hebling: Towards generation of mJ-level ultrashort THz pulses by optical rectification, Optics Express 19, 15090, 2011
J.A. Fülöp, L. Pálfalvi, G. Almási, J. Hebling: Design of high-energy terahertz sources based on optical rectification, Opt. Express, 18, 12311, 2010
E. Balogh, K. Kovacs, P. Dombi, J. A. Fülöp, G. Farkas, J. Hebling, V. Tosa, K. Varjú: Single attosecond pulse from terahertz-assisted high-order harmonic, Phys. Rev. A 84, 023806, 2011
M.C. Hoffmann, J.A. Fülöp: Intense ultrashort terahertz pulses: generation and applications, J. Phys. D: Appl. Phys., 44, 083001, 2010
J. Hebling, J. A. Fülöp, M. I. Mechler, L. Pálfalvi, C. Tőke, G. Almási: Optical manipulation of relativistic electron beams using THz pulses, arxiv.org/abs/1109.6852, 2011
L. Pálfalvi, B. Tóth, G. Almási, J. A. Fülöp, J. Hebling: A general z-scan theory, Appl. Phys. B 97, 679, 2009
Z. Ollmann, J. Hebling, G. Almási: Design of a contact grating setup for mJ-energy THz pulse generation by optical rectification, Applied Physics B, submitted, 2012
J.A. Fülöp, J. Hebling: Applications of tilted-pulse-front excitation, In: Recent Optical and Photonic Technologies, K. Y. Kim (Ed.), pp. 207-230, ISBN 978-953-7619-71-8, INTECH, Croatia, 2010
J.A. Fülöp, L. Pálfalvi, G. Almási, J. Hebling: High energy THz pulse generation by tilted pulse front excitation and its nonlinear optical applications, J. Infrared Milli. Terahz. Waves, 32, 553 DOI 10.1007/s10762-010-9667-3, 2011
G. A. Mourou, G. Korn, W. Sandner, J. L. Collier (Eds.): Terahertz technology, Application of high energy THz pulses, Science and Technology with ultra-intense lasers (ELI White book), pp. 85-88 and 375-378,, 2011
Almási Gábor, Fülöp József, Hebling János, Pálfalvi László: Optikai egyenirányításon alapuló gerjesztésű THZ-es sugárforrás, Magyar Szabadalmi Hivatal, P1000514, 2010
Almási Gábor, Fülöp József, Hebling János, Mechler Mátyás, Tőke Csaba: Rövid periódusu undulátor, Magyar Szabadalmi Hivatal P1100452, 2011
J. Hebling, J.A. Fülöp, L. Pálfalvi, G. Almási: High energy THz pulse generation by tilted pulse front excitation and its applications, OSA’s 94th Annual Meering – Frontiers in Optics 2010 (FiO 2010), 24-28 October 2010, Rochester, New York, USA, invited talk FThZ1, 2010
J. Hebling, J. A. Fülöp, L. Pálfalvi, G. Tóth, G. Almási, K.-L. Yeh, M. C. Hoffmann, H. Y. Hwang, K. A. Nelson: High energy THz pulse generation by tilted pulse front excitation and their nonlinear optical and spectroscopic applicationx, International Workshop on Optical Terahertz Science and Technology (OTST 2009), 7-11 March 2009, Santa Barbara, California, USA, Invited talk SuD1, 2009
J. Hebling, J.A. Fülöp, L. Pálfalvi, G. Almási: High energy THz pulse generation by tilted pulse front excitation and its nonlinear optical applications, International Workshop on Terahertz Technology 2009 (TeraTech ’09), 30 November - 3 December 2009, Osaka, Japan, Invited talk 1I-B1, 2009
J. Hebling, J. A. Fülöp, L. Pálfalvi, G. Almási: Intense terahertz sources based on tilted pulse-front excitation and their potential applications in imaging, nonlinear THz spectroscopy and attosecond pulse generation, IEEE Photonics Society Winter Topicals Meeting Series, WTM 2010, Invited talk, art. no. 5421969, pp. 48-49, 2010
J. A. Fülöp, L. Pálfalvi, G. Almási, J. Hebling: High energy THz pulse generation by tilted pulse front excitation and its applications, Internat. Conf. on the Technique of Microwave and THz Waves (IRPhE'2010), 23-25 September 2010, Astarak-Aghveran, Armenia, Invited talk Th-6, 2010
J. A. Fülöp, L. Pálfalvi, G. Almási, J. Hebling: Tilted-pulse-front pumping for phase matching and synchronization, Proc. SPIE 7501, 75010D, 2009
L. Pálfalvi, K. Lengyel, Á. Péter, J. A. Fülöp, T. Reiter, J. Hebling: Theoretical and experimental development of the z-scan method and its application for the characterization of LiNbO3, Proc. SPIE 7501, 75010F, 2009
J. A. Fülöp, L. Pálfalvi, G. Almási, J. Hebling: Tilted-pulse-front pumping for phase matching and synchronization, Proceedings of SPIE 7501, 75010D, 2009
J.A. Fülöp, L. Pálfalvi, G. Almási, J. Hebling: Design of High-Energy THz Sources Based on Optical Rectification, NATO Advanced Research Workshop on Terahertz and Mid Infrared Radiation: Basic Research and Applications, TERA - MIR 2009, 3-6 November 2009, Turunç-Marmaris, Turkey, 2009
J.A. Fülöp, Gy. Tóth, L. Pálfalvi, J. Hebling: High-energy amplification scheme for near-single-cycle pulses at 2 m based on angular dispersion, European Optical Society Annnual Meeting 2010 (EOSAM 2010), 26-29 October 2010, Paris, France, talk 3650, 2010
E. Balogh, J.A. Fülöp, J. Hebling, P. Dombi, G. Farkas, K. Varjú: Attosecond pulse generation in noble gases in the presence of extreme high intensity THz pulses, 31st European Conference on Laser Interaction with Matter (XXXI ECLIM), 6-10 September 2010, Budapest, Hungary, talk Fr-11, 2010




 

Events of the project

  
2011-03-22 09:51:53
Résztvevők változása
2010-06-02 13:49:49
Résztvevők változása



Back »