Terahertzes és femtoszekundumos nemlineáris optika

Terahertzes sugárzás

A terahertzes (THz-es) sugárzás - csakúgy, mint a rádióhullámok vagy a fény - az elektromágneses hullámok egy fajtája. Rezgési frekvenciája jellemzően a 0,3 - 30 THz, hullámhossza az 1 mm - 10 mm tartományba esik, ami a mikrohullámok és az infravörös sugárzás tartománya között található az elektromágneses spektrumban. 1 THz = 1012 Hz , azaz másodpercenként 1 000 000 000 000 rezgés.

A THz-es sugárzás alkalmazási területei közé tartozik többek között az anyagtudomány, a biológia, az orvosi diagnosztika és a biztonságtechnika. Szerves molekulák jól azonosíthatók THz-es spektrumuk alapján, amely a molekulák konformációjára és hidratációs (vizes környezetbeli) állapotára is érzékeny lehet. Az alkalmazási lehetőségeket jelentősen bővíti, hogy a THz-es tartományban - szemben a jóval nagyobb frekvenciájú optikai sugárzással - könnyen mérhető az elektromos tér időbeli lefutása. Erre alkalmas módszer az elektro-optikai mintavételezés.

Terahertzes impulzusok keltése

A THz-es tudomány viszonylag új, mintegy két évtizedes múltra visszatekintő multidiszciplináris tudományterület. A THz-es vizsgálatok széleskörű kiterjesztését a femtoszekundumos lézereken alapuló THz források megjelenése tette lehetővé (1 femtoszekundum = 1 fs = 10-15 s). Ezek közé tartozik egy nemlineáris optikai folyamaton, az optikai egyenirányításon alapuló THz forrás is, amellyel igen rövid, akár egyetlen oszcillációs ciklusból álló THz-es impulzusok kelthetők (1. ábra).


1. ábra. Egyetlen oszcillációs ciklust tartalmazó THz-es impulzus elektromos térerőssége (piros görbe) és amplitúdó-spektruma (kék görbe).

Extrém nagyenergiájú terahertzes impulzusok előállítása

A döntött intenzitásfronttal pumpált optikai egyenirányításon alapuló THz keltés módszerének továbbfejlesztéseként számítások segítségével kimutattuk, hogy az eddig használt 100 fs helyett 500 fs hosszúságú pumpáló impulzusokat, és az impulzusfront döntésére optimalizált elrendezést használva akár több mJ energiájú THz-es impulzusok is előállíthatók lesznek a közeljövőben [2].

A németországi Kvantumoptikai Max Planck Intézettel együttműködve kísérletileg is megmutattuk, hogy hosszabb pumpáló impulzusokat használva a THz energia jelentősen megnövelhető. A rendelkezésre álló - optimálisnál hosszabb - 1300 fs-os pumpáló impulzusokkal az eddigi legnagyobb energiájú, 125 ľJ-os THz-es impulzusokat sikerült előállítani az eddigi legnagyobb, 0,25%-os hatásfokkal [3].

Milijoule nagyságrendű energiával rendelkező THz-es impulzusok nyalábjának lefókuszálásával akár 100 MV/cm nagyságú elektromos térerősség is előállítható lesz 1 THz frekvencia környékén. Ez a jelenleg elérhetőnél két nagyságrenddel nagyobb térerősség számos egészen új alkalmazás lehetőségét fogja megnyitni. A legizgalmasabbak közé tartozik töltött részecskék manipulálása, pl. protonok gyorsítása, ami - lézeres protongyorsítással kombinálva - új lehetőségeket teremthet a daganatos betegségek hadronterápiás kezelésében [4].

Irodalomjegyzék

  1. J. Hebling, G. Almási, I. Z. Kozma, and J. Kuhl, "Velocity matching by pulse front tilting for large-area THz-pulse generation", Opt. Express. 10 (2002) 1161.
  2. J. A. Fülöp, L. Pálfalvi, M. C. Hoffmann, and J. Hebling, "Towards generation of mJ-level ultrashort THz pulses by optical rectification", Opt. Express. 19 (2011) 15090.
  3. J. A. Fülöp, L. Pálfalvi, S. Klingebiel, G. Almási, F. Krausz, S. Karsch, and J. Hebling, "Generation of Sub-mJ Terahertz Pulses by Optical Rectification", Opt. Lett., accepted (2012).
  4. "THz pulse technology brings new hope to cancer sufferers," Science, Technology and Innovation Projects 25 (June 2011) 50