Wavefront shaping of terahertz radiation using two-color flying-focus pulses with time-dependent focal velocities

Terahertzstrahlung nimmt einen einzigartigen Platz im elektromagnetischen Spektrum ein, zwischen den Mikrowellen, die für WLAN verwendet werden, und dem Infrarotlicht, das unsere Haut erwärmt. Dieses unsichtbare Energieband ist ein leistungsstarkes Werkzeug für Wissenschaftler und Ingenieure, da es viele Materialien durchdringen kann, die sichtbares Licht blockieren, wie etwa Kleidung, Karton und Kunststoff, ohne diese zu beschädigen. Dies macht es ideal, um in Pakete hineinzusehen, die chemische Zusammensetzung von Gasen zu analysieren oder Bilder von biologischem Gewebe aufzunehmen. Um diese Anwendungen optimal zu nutzen, benötigen Forscher oft Pulse dieser Strahlung, die extrem kurz und intensiv sind. Eine der effektivsten Methoden, solche Pulse zu erzeugen, besteht darin, einen spezialisierten Laser in ein Gas zu feuern. Wenn der Laser auf das Gas trifft, reißt er Elektronen aus den Atomen und erzeugt so einen kurzen, sich bewegenden Strom, der Terahertzwellen aussendet. Die Form dieser Wellen während ihrer Ausbreitung hängt vollständig davon ab, wie schnell dieser bewegliche Elektronenstrom wandert. Wenn der Strom mit einer konstanten Geschwindigkeit wandert, breiten sich die Wellen in einem Kegel aus, ganz ähnlich wie die V-förmige Bugwelle hinter einem Boot, das durch das Wasser fährt.

Jahrelang konnten Wissenschaftler die Geschwindigkeit dieses Elektronenstroms bis zu einem gewissen Grad steuern, was es ihnen ermöglichte, den Winkel, unter dem die Terahertzwellen abgestrahlt werden, abzustimmen; diese Kontrolle beschränkte sich jedoch darauf, die Geschwindigkeit konstant zu halten, was bedeutete, dass die Wellen immer dieselbe Kegelform annahmen. Eine neue Studie von Forschern der University of Rochester und der Université libre de Bruxelles hat gezeigt, dass man durch die Änderung der Geschwindigkeit des Elektronenstroms über die Zeit die Wellen in völlig neue Formen umgestalten kann. Anstatt eines Kegels wurde demonstriert, dass die Wellen zu einem Parabelverlauf geformt werden können – eine Form, die von Natur aus dafür geeignet ist, in einen engen Strahl gebündelt und fokussiert zu werden. Diese Entdeckung ebnet den Weg für die Erzeugung von Terahertzpulsen, die nicht nur leistungsstark, sondern auch präzise für spezifische Aufgaben geformt sind, wie etwa das Fokussieren von Energie auf einen winzigen Punkt oder das effiziente Sammeln von Energie aus einem weiten Bereich.

Die Forscher erreichten dies durch eine Technik, die als „Flying Focus“ (fliegender Fokus) bekannt ist. In einem Standard-Laseraufbau ist der Punkt höchster Intensität an einer festen Stelle fixiert. Bei einem „Flying Focus“ wird der Punkt höchster Intensität so gesteuert, dass er entlang des Laserstrahls mit einer von den Wissenschaftlern wählbaren Geschwindigkeit wandert. Um dies zu erreichen, verwendeten sie ein spezielles optisches System, das den Laser in verschiedene farbige Ringe aufteilt und diese zeitlich leicht verzögert, sodass sie in unterschiedlichen Abständen entlang des Strahls in einem Fokus zusammenlaufen. Durch die sorgfältige Anordnung dieser Verzögerungen erzeugten sie einen Puls, dessen hellster Teil sich mit einer spezifischen, kontrollierbaren Geschwindigkeit vorwärts bewegt. In ihrem Experiment verwendeten sie einen Laserpuls aus zwei Farben des Lichts, was notwendig ist, um den Elektronenstrom im Gas effizient anzutreiben. Sie programmierten den hellsten Teil dieses Pulses so, dass er sehr schnell startete und dann stetig langsamer wurde, während er durch das Gas wanderte.

Während der helle Punkt des Lasers durch das Gas wanderte, ionisierte er die Atome und hinterließ eine Spur aus Elektronen. Da sich der Laserpunkt verlangsamte, verlangsamte sich auch die von ihm erzeugte Elektronenspur. Die Forscher fanden heraus, dass diese sich verlangsamende Spur als bewegliche Quelle fungierte, die Terahertzwellen aussendete. Da sich die Quelle änderte, änderte sich auch der Winkel, unter dem die Wellen abgestrahlt wurden. Anstatt dass alle Wellen unter demselben Winkel reisten, um einen Kegel zu bilden, wurden die Wellen, die früh im Prozess emittiert wurden, in einem breiten Winkel abgestrahlt, während jene, die später emittiert wurden, in einem steileren Winkel reisten. Wenn diese Wellen kombiniert wurden, bildeten sie eine gekrümmte, parabolische Oberfläche. Die Forscher nutzten fortschrittliche Computersimulationen, um diesen Prozess zu modellieren, und bestätigten dabei, dass eine dezelerierende Ionisationsfront eine parabolische Wellenfront erzeugt, während eine Front mit konstanter Geschwindigkeit die traditionelle Kegelform erzeugt.

Die Simulationen zeigten, dass die Form der resultierenden Welle direkt mit der Änderung der Geschwindigkeit verknüpft ist. Durch die Anpassung der Anfangsgeschwindigkeit des Laserfokus und der Rate, mit der sie abnimmt, konnte das Team die Krümmung der Welle steuern. Eine höhere Anfangsgeschwindigkeit, die stärker abnimmt, erzeugt eine engere Kurve, während ein langsamerer Start eine flachere Kurve erzeugt. Diese Kontrolle ist signifikant, da parabolische Wellen viel leichter zu fokussieren sind als konische Wellen. Eine konische Welle breitet sich in einem Ring aus, was es schwierig macht, ihre gesamte Energie in einem einzigen Punkt zu konzentrieren. Eine parabolische Welle hingegen konvergiert von Natur aus, was es ermöglicht, die Energie wesentlich effizienter zu sammeln und zu bündeln. Dies könnte ein großer Vorteil für Anwendungen sein, die eine hohe Intensität erfordern, wie etwa die Beschleunigung von Teilchen oder das Proben von Materialien mit extremer Präzision.

Die Studie untersuchte auch die praktischen Herausforderungen bei der Erzeugung dieser Wellen. Um eine saubere, gleichmäßige parabolische Form zu erhalten, muss der Laser einen stetigen Strom von Elektronen entlang seines gesamten Pfades erzeugen. Die Forscher fanden heraus, dass die Wellenform verzerrt wird, wenn die Laserintensität schwankt oder wenn das Timing zwischen den beiden Farben des Lichts aus dem Takt gerät, wodurch der Elektronenstrom ungleichmäßig wird. Sie entdeckten, dass sie durch die Gestaltung ihres optischen Systems mit einem zentralen Loch und durch die Sicherstellung, dass die Lasergeschwindigkeit am Anfang und am Ende des Pfades konstant war, eine gleichmäßigere Region der Elektronenerzeugung schaffen konnten. Diese Gleichmäßigkeit ist entscheidend, um die durch ihre Modelle vorhergesagte saubere parabolische Form zu erhalten. Die Simulationen zeigten, dass die resultierenden Terahertzpulse mit diesen Anpassungen eine glatte, gleichmäßige Energieverteilung aufwiesen, im Gegensatz zu dem ringförmigen Muster, das bei Lasern mit konstanter Geschwindigkeit auftritt.

Diese Arbeit stellt einen Wechsel dar – weg von der bloßen Kontrolle der Geschwindigkeit, mit der der Elektronenstrom wandert, hin zur Kontrolle derart, wie sich diese Geschwindigkeit über die Zeit ändert. Indem sie die Geschwindigkeit der Ionisationsfront als eine Variable behandelten, die programmiert werden kann, haben die Forscher einen neuen Freiheitsgrad in das Design von Terahertzquellen eingeführt. Die Ergebnisse legen nahe, dass es möglich ist, die Form der Wellenfront passend zu den Anforderungen einer spezifischen Anwendung zu gestalten, anstatt durch die Formen begrenzt zu sein, die die Natur standardmäßig vorgibt. Obwohl die hier präsentierten Ergebnisse auf Computersimulationen basieren, beruht die zugrunde liegende Physik auf etablierten Prinzipien der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie. Die Forscher glauben, dass diese geformten Pulse mit den richtigen optischen Komponenten in einem echten Labor erzeugt werden können. Diese Fähigkeit könnte zu effizienteren Terahertzsystemen für die Bildgebung und Sensorik führen, bei denen die Fähigkeit, den Strahl eng zu bündeln, ebenso wichtig ist wie die Leistung der Quelle selbst.