Kurzfassung
Trotz vieler Innovationen und erheblichem Interesse an der Terahertz-Technologie, beschreibt die “Terahertz-Lücke” noch immer die Schwierigkeiten in der De- tektion und der begrenzten erreichbaren Leistung von Strahlungsquellen in diesem Frequenzband. Hier setzt die vorliegende Arbeit an und befasst sich durch numerische Simulationen insbesondere mit der auf optischen Laser- pulsen basierten Erzeugung von Terahertz (THz)-Strahlung. Eingegliedert
in das AXSIS Forschungsprojekt soll eine rein auf optischen Lasern basierte Elektronenbeschleunigung durch THz-Strahlung schließlich zu ultrakurzen Röntgenpulsen mit einer Dauer von wenigen Attosekunden führen. Es wer- den zwei Schwerpunkte der laserbasierten Erzeugung von THz-Strahlung diskutiert, einerseits die Erzeugung von Ein-Zyklen-Pulsen und anderer- seits von Mehr-Zyklen-Pulsen. Ein-Zyklen-THz-Pulse werden durch Puls- frontverkippung eines optischen Pulses erzeugt. Fünf verschiedene exper- imentelle Aufbauten zur Pulsfrontverkippung werden gezeigt und anhand von numerischen Simulationen diskutiert. Insbesondere die elektrische Feldverteilung und die Fresnelverluste an den Kristalloberflächen werden betrachtet, μm schließlich die Effizienz im Experiment zu maximieren. Die Simulationen in der vorliegenden Arbeit führen zu einer maximal erreich- baren Effizienz von 0,8% für Kristalle in Raumtemperaturumgebung. Für die bereits erwähnten Mehr-Zyklen-THz-Pulse werden zur Erzeugung pe- riodisch gepolte Lithiumniobat-Kristalle genutzt. Eine Steigerung der Ef- fizienz wird möglich durch die Phasenkompensation zwischen optischem und THz-Puls und der wiederholten THz-Strahlungserzeugung durch ein und denselben Laserpuls. Eine aus den Simulationen gewonnene Erkennt- nis sind Kristalldefekte, hervorgerufen durch die THz-Strahlungserzeugung selbst, wenn sie Phasenfrontfluktuationen des Erregerpulses, die typischer- weise bei Hochenergielasern auftreten, ausgesetzt ist. Die final berechneten THz-Pulsenergien erreichen einige Dutzend Millijoule.
Für die vorliegende Studie wurden Objekt orientierte, numerische Soft- warepakete entwickelt. Die Berechnungen zu Ein-Zyklen-THz-Pulsen er- forderte die Entwicklung eines vollständigen numerischen 3D+1 Modells in MATLAB, das die Effekte der Beugung, walk-off und nichtlinearen Kopplungen der optischen Erregerpulse und THz-Pulse erfasst. Für die Simulationen zu Mehr-Zyklen-THz-Pulsen wurde ein Programmcode in C++ unter An- nahme der Zylindersymmetrie entwickelt, welcher MPI und OpenMP für die Parallelisierung nutzt.
Übergreifend nutzen die numerischen Modelle die Split-Step Fourier- und die Finite-Differenzen-Methode. Die generische Struktur der Program- mierung erlaubt das Ergänzen von neuen Materialparametern, nichtlin- earen Prozessen höherer Ordnung und weiteren numerischen Methoden für zukünftige Anwendungen.
Regardless of many innovations and breakthroughs related to the ter- ahertz technology, the widespread use of the phrase “terahertz gap” still describes the challenges both in the sensitivity of typical detectors and the power available from typical sources. This study revolves around the source of the terahertz radiation and in particular the laser-based terahertz generation. The thesis serves the purpose of the AXSIS project where the terahertz-driven electron acceleration is developed, which can be utilized in a potential attosecond X-ray source. Two main aspects of laser-based terahertz generation problem are discussed. One is the single- to few-cycle terahertz generation. This format of terahertz pulses is commonly achieved by utilizing the tilted-pulse-front technique. Five different experimental se- tups are proposed and simulated for generating the pulse front tilt. The advantages and disadvantages of each scheme are discussed in detail. The terahertz electric field distribution and the Fresnel loss due to out-coupling are analyzed. These can give guidance to terahertz-related experiments, and suggest the most appropriate setup for a given experiment. The simulations suggest that close to 0.8% conversion efficiency is possible at room tempera- ture. The other aspect is the generation of multi-cycle terahertz pulses using periodically poled lithium niobate. In order to achieve high conversion effi- ciency, phase compensation with optical pump pulse recycling is proposed. Additionally, the study indicates that a phase-front fluctuation, common for high energy lasers, can induce damage via the terahertz generation process. The simulations indicate that beam energies on the level of a few tens of mJ can be achieved. Object-oriented numerical packages are developed. For single- to few- cycle terahertz generation, a full 3D+1 numerical model is implemented using MATLAB. This model precisely captures the diffraction, walk-off and nonlinear interactions of the optical pump and the terahertz pulses. For multi-cycle terahertz generation, a numerical model assuming cylindrical symmetry is developed using C++. The MPI and OpenMP are used for parallelization. The numerical models utilize the split-step Fourier and the finite difference methods. The structure of the numerical models supports future im- plementation of new material properties, higher-order nonlinear processes, and different numerical methods.