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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-89322
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2018/8932/


Spectral Phase Manipulation of Optical Pump Pulses for mJ-Level Narrowband Terahertz Generation in PPLN

Manipulation der Spektralphase von optischen Pumppulsen für mJ-Level Schmalband Terahertz Erzeugung in PPLN

Jolly, Spencer Windhorst

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SWD-Schlagwörter: Optik , Physik
Freie Schlagwörter (Deutsch): Terahertz , Lithium Niobate
Basisklassifikation: 33.18 , 33.38 , 33.05
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Maier, Andreas (Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 10.01.2018
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 16.01.2018
Kurzfassung auf Englisch: The generation of mJ-level terahertz (THz) radiation is reported via quasi-phase-matching
in periodically poled lithium niobate (PPLN) using chirped optical pump pulse trains from the
Angus laser system. The integration of the 200TW Angus laser system in to the Desy control
system architecture is outlined, which increased the availability of the system for use in experiments. The verification and characterization of the chirp-and-delay method for terahertz generation in PPLN is reported using crystals of four different poling periods, resulting as well in pulses of up to 40 µJ at 544 GHz. The effect of the third-order phase present in the optical pump pulses on the process is reported in detail with a discussion especially of the effect on the efficiency of the process. The derivation of these effects is in fact general, and applies to difference frequency generation via chirp-and-delay in a broad sense, within the limitations of the analytic formulation. Compensation for this higher-order effect is studied, and a method of independently manipulating the spectral phase of the overlapped pulses is theoretically developed and experimentally implemented. This implementation results in an increase of eight times in efficiency in large aperture PPLN, producing a maximum pulse energy of 458 µJ at 361 GHz with <1% bandwidth from a single crystal, and a combined average THz output of 604 µJ produced in two crystals simultaneously. This has broad implications for manipulation and acceleration of particles and material studies with high-energy and narrowband pulses at sub-THz frequencies.
Kurzfassung auf Deutsch: Die Erzeugung von mJ-Level Terahertz (THz) -Strahlung ist berichtet durch Quasiphasenanpassung in periodisch gepoltem Lithiumniobat (PPLN, aus dem Englischen) unter Verwendung von gechirpten optischen Pumppulszügen aus dem Lasersystem Angus. Die Integration des 200TW Angus Lasersystems in die Desy Systemarchitektur, die die Verfügbarkeit des Systems für Experimente erhöht, wird skizziert. Die Verifikation und Charakterisierung der Chirp-and-Delay Methode für die Terahertz-Erzeugung in PPLN wird mit Kristallen mit vier verschiedenen Polungsperioden berichtet, wobei Pulsenergien bis zu 40 µJ bei 544 GHz erreicht wurden. Die Phase dritter Ordnung, die in den optischen Pumppulsen des Prozesses vorhanden ist, wird im Detail mit einer wichitigen detaillierten Diskussion der Auswirkung auf die Effizienz des Prozesses beschrieben. Die Herleitung dieser Effekte ist allgemein gültig für die Erzeugung von Differenzfrequenzen über Chirp-and-Delay innerhalb der Grenzen der analytischen Formulierung. Die Kompensation dieses Effekts höherer Ordnung wird untersucht und eine Methode zur unabhängigen Manipulation der Spektralphase der überlappten Pulse wird theoretisch hergeleitet und experimentell implementiert. Diese Implementierung führt zu einer achtfachen Zunahme des Wirkungsgrads bei PPLN mit großer Apertur, was bei 361 GHz eine maximale Pulsenergie von 458 µJ mit einer Bandbreite <1% ergibt. Dies hat breite Auswirkungen auf die Manipulation und Beschleunigung von Teilchen und Materialuntersuchungen mit Hochenergie- und Schmalbandpulsen bei Sub-THz-Frequenzen.

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