Titel: Efficient high energy laser-driven multicycle terahertz generation for accelerators
Sonstige Titel: Effiziente hochenergetische, lasergetriebene Multicycle-Terahertz-Erzeugung für Beschleuniger
Sprache: Englisch
Autor*in: Olgun, Halil Tarik
Schlagwörter: Terahertz; Laser; Difference frequency generation; Nonlinear optics
Erscheinungsdatum: 2020
Tag der mündlichen Prüfung: 2020-12-18
Zusammenfassung: 
Optisch erzeugte Multi-Cycle-Terahertz-Strahlung (MC-THz) hat das Potenzial,
konventionelle Elektronenbeschleuniger und damit verbundene Forschungsgebiete zu revolutionieren. Bisherige Umwandlungseffizienzen von
optischer zu THz-Strahlung sind derzeit zu niedrig, um ausreichend hohe
Feldgradienten zur Beschleunigung von Elektronen auf hohe Energien zu
erreichen.
In dieser Arbeit wurde die MC-THz-Erzeugung durch Differenzfrequenzerzeugung
(DFG) in Magnesiumoxid-dotiertem, periodisch gepolten Lithiumniobat
(MgO:PPLN) und Rubidium-dotiertem, periodisch gepolten Kaliumtitanylphosphat (Rb:PPKTP) mittels eines Yb-basierten, speziell entwickelten
Multilinienlasers untersucht. Dieser Ansatz erweist sich als vielversprechend,
denn es konnte eine Steigerung der Konversionseffizienz auf 0,49%
mit einer Pulsenergie von 30 μJ bei 0,29 THz und 0,89% mit einer Pulsenergie
von 45 μJ bei 0,53 THz in MgO:PPLN sowie 0,16% mit einer Pulsenergie von
3 μJ bei 0,5 THz in Rb:PPKTP nachgewiesen werden. Diese Werte stellen die
zum heutigen Stand höchsten je gemessenen Werte dar. Die Ergebnisse sind
in sehr guter Übereinstimmung mit zweidimensionalen numerischen Simulationen.
Desweiteren wurden Skalierungsexperimente mit einem kommerziellen
Yb-basierten Laser (200 mJ, 500 fs, 50 Hz) durchgeführt. Eine Effizienz
von 0,29% mit Pulsenergien von 260 μJ bei 0,35 THz in MgO:PPLN-Kristallen
mit großer Apertur (10x15mm2) konnte demonstriert werden, obwohl dabei
eine bekannterweise weniger effiziente THz-Erzeugungsmethode, die optische
Gleichrichtung, benutzt wurde. Dies ist die höchste nachgewiesene Effizienz
basierend auf optischer Gleichrichtung für MC-THz Strahlung. Darüber
hinaus wurde die periodische Polung des nichtlinearen Mediums auch
über ein Wafer-Konzept erfolgreich realisiert. Dadurch war es möglich KTPund
LN-Wafer mit Aperturgrößen von 1” und 10x15mm2 zu verwenden,
um so die Pumpenergie im Vergleich zu herkömmlichen Kristallen hoch zu
skalieren. Dabei wurden zwei Methoden für die effiziente Benutzung des
Pumplasers untersucht: Einerseits wurden Wafer-Stapel hintereinander gereiht
und vermessen, andererseits eine Methode zur geseedeten MC-THz-
Erzeugung über einen rückreflektierten THz-Strahl getestet. In beiden Fällen
konnte eine erhöhte Effizienz beobachtet werden. Besonders im zweiten
Fall konnte eine Effizienz von 0,29% mit einer Pulsenergie von 280 μJ bei
0,16 THz erreicht werden, dreimal mehr als im Vergleich zum ungeseedeten
Fall. Diese Ergebnisse sind entscheidend für die Realisierung kompakter, auf
THz-Strahlung basierender Elektronenbeschleuniger der nächsten Generation.

Optically generated, narrowband multi-cycle terahertz (MC-THz) radiation
has the potential to revolutionize electron acceleration, X-ray free-electron
lasers, advanced electron beam diagnostics and related research areas. However, the currently demonstrated THz generation efficiencies are too low to
reach the requirements for many of these applications.
In this project, a MC-THz generation approach via difference frequency
generation (DFG) driven by a laser with a multi-line optical spectrum was
investigated with the aim of increasing the conversion efficiency. For this purpose, a home-built, Yb-based laser source with a multi-line optical spectrum
was developed. This laser source was amplified to tens-of-millijoule using a
regenerative and a four-pass amplifier; it was used to generate MC-THz in
magnesiumoxid-doped periodically poled lithium niobate (MgO:PPLN) and
rubidium-doped periodically poled potassium titanyl phosphate (Rb:PPKTP).
With this laser system, the highest optical-to-THz conversion efficiencies (CE)
of 0.49% with a pulse energy of 30 mJ at 0.29 THz, and 0.89% with a pulse
energy of 45 mJ at 0.53 THz in MgO:PPLN were achieved. These results compare well with 2-dimensional numerical simulations. In addition, Rb:PPKTP,
which has a promising figure-of-merit compared to MgO:PPLN, achieved
a CE of 0.16% with a pulse energy of 3 mJ at 0.5 THz. Next, to scale this
laser system to tens of millijoule MC-THz output, large aperture crystals
for both MgO:PPLN and Rb:PPKTP were investigated using a commercial
laser, producing 200 mJ with a pulse duration of 500 fs at 1030 nm; although
in this case an older method of optical rectification (OR) was used, achieving
less efficiency than the multi-line source. With MgO:PPLN crystals of
aperture size 10x15mm2, a CE of 0.29% at 0.35 THz was achieved with a
pulse energy of 260 mJ. This is the highest known CE value using OR. In addition, wafer-stacks with alternating crystal-axis orientation of aperture size
of 1” for LN and 10x10mm2 for KTP were successfully tested. Two novel
experiments were performed with LN wafers: multi-stage wafer-stacks in
a serial configuration with multi-output THz radiation and back-reflected
seeded MC-THz generation. Both methods improved the efficiency of the
MC-THz generation, compared to a single stack. In particular, for the backreflected seeded MC-THz generation, pulse energies of 280 mJ with a CE of
0.29% was achieved; thus demonstrating the potential of seeded MC-THz
generation. These achievements are an important step for the realization of
next-generation, THz-driven electron accelerators.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/8832
URN: urn:nbn:de:gbv:18-ediss-90253
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Kärtner, Franz
Matlis, Nicholas
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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