Kurzfassung
Kompakte THz-basierte Teilchenbeschleuniger benötigen Terahertz (THz) Pulse mit einer Energie von mehreren zehn mJ, um hohe Beschleunigungsfelder von Hunderten von MV/m zu erreichen. Trotz der vielversprechenden Aussichten, die THz-Erzeugung durch nichtlineare optische Prozesse in diese Energiebereiche hoch zu skalieren, ist deren Umwandlungseffizienz für hochenergetischen (HE) THz-Anwendungen derzeit noch zu gering.
Mit dem Ziel, einen neuen Weg zur Erzeugung von HE-THz-Pulsen zu finden, wird in dieser Arbeit die Entwicklung eines THz-Pulskompressionssystems vorgestellt, mit dem das von einer Dauerstrich-THz-Quelle emittierte Signal in seiner Intensität verstärkt und in seiner Dauer zu kurzen Pulsen komprimiert wird. Zu diesem Zweck wurde ein 900 mm langer Bow-Tie-Resonator aufgebaut, dessen Resonanzfrequenz auf das Einkoppeln der Gauß-Mode des 100 GHz Dauerstrich-THz-Strahlung abgestimmt ist. Im Inneren des Resonators wurde die Intensität der einfallenden 100 GHz-Strahlung um ein bestimmtes Vielfaches, ausgedrückt durch den Uberhöhungsfaktor E, erhöht. Anschließend wurde die im Resonator zirkulierende Strahlung in Form eines kurzen Pulses mit Hilfe eines lasergesteuerten Halbleiter-Schalters ausgekoppelt. Insbesondere wurde das Kompressionssystem für ein 145-μW-Resonator-Eingangsstrahl und einen 532-nm, 7-ns, 50-mJ-Anregungslaserpuls unter zwei spezifischen Szenarien getestet.
Zuerst wurde bei einem Uberhöhungsfaktor E≈17.5 und unter Verwendung eines intrinsischen Silizium-Wafers eine maximale Leistung von 940 μW extrahiert, was ~38% der umlaufenden Leistung des Resonators entspricht. Als nächstes wurde bei einem Uberhöhungsfaktor E≈6.5 und unter Verwendung eines intrinsischen Galliumarsenid-Wafers eine maximale Leistung von 635 μW extrahiert, was ~67% der Umlaufleistung des Resonators entspricht. In beiden Fällen betrug die Dauer des extrahierten Pulses etwa ~28 ns, verteilt auf vier Hauptschwingungen, jede mit einer Periode von etwa 6~7 ns und unterschiedlicher Amplitude. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Größe, Form und Dauer des extrahierten Pulses von vier Faktoren abhängt: der Resontorlänge, dem Uberhöhungsfaktor E, der Energie des Anregungslaserpulses und der Schalt-Dynamik des Halbleiter-Wafers.
Zweierlei Schlussfolgerungen sich aus den Beobachtungen der Funktionsweise des Kompressionssystems ziehen:
(i) Die Resonatorlänge muss zur Dynamik des Halbleiterschalters und der Länge des Laserpulses angepasst sein.
(ii) Die Größe des Resonators sowie Halbleiterschalters sowie Laserpulseenergie muss auf die Leistung der THz quelle angepasst werden um die gewünschten HE-THz Pulse im multi-MW Bereich erzeugen zu können. Solche THz-Quellen sind gyrotrons mit multi-MW Ausgangsleistung, welche zum Zweck der resonanten Elektron-Zyklotron Heizung von Fusionsplasmen entwickelt wurden.
Compact THz-based particle accelerators require Terahertz (THz) pulses of tens of mJ of energy to achieve high acceleration fields of hundreds of MV/m. Despite the promising prospects of scaling THz generation to these energy ranges by non-linear optical processes, their conversion efficiency for high-energy (HE) THz applications is currently too low. Aiming to provide a new way of producing HE THz pulses, this thesis presents the development of a THz pulse compression system by which the signal emitted by a continuous-wave (CW) THz source is enhanced in intensity and compressed in duration into short pulses. For this purpose, a 900 mm long bow-tie enhancement cavity resonant with the Gaussian mode of a 100 GHz frequency CW incident electro-magnetic wave was implemented in a quasi-optical way. Inside the cavity, the intensity of the incident 100 GHz radiation was enhanced a certain number of times expressed through the parameter E. Subsequently, the cavity circulating THz radiation was extracted out in the form of a short pulse by using a laser-driven semiconductor switch. In particular, for a 145-μW cavity input light and a 532-nm, 7-ns, 50-mJ excitation laser pulse, the compression system was performed under two specific scenarios. First, for a E≈17.5 and by using an intrinsic silicon wafer, a maximum power of 940 μW was extracted, corresponding to ~38% of the cavity circulating power. Second, for a E≈6.5 and by utilizing an intrinsic gallium arsenide wafer, a maximum power of 635 μW was extracted, corresponding to ~67% of the cavity circulating power. In both cases, the duration of the extracted pulse was about ~28 ns, distributed in four main oscillations, each of them with a period of around 6~7 ns and different amplitude. These results proved that the magnitude, shape and duration of the extracted pulse were dependent on four factors: the cavity length, the parameter E, the energy of the excitation laser pulse and the switching dynamics of the semiconductor wafer. Based on observations made from the current compression system, two conclusions can be drawn: (i) The length of the resonator needs to be matched to the semiconductor response and the laser driver pulse length used. (ii) The cavity and semiconductor switch size as well as laser energy needed needs to be scaled to a high power THz source such as gyrotrons. Such gyrotron sources have been developed to the multi-MW scale for electron-cyclotron resonance heating of fusion plasmas.