Ein vorhandener Versuchsaufbau zur Erzeugung von fs-Laserpulsen wurde mit
einer computergesteuerten Delaystrecke und einer Anordnung für magnetooptische Kerr-Messung in longitudinaler Geometrie ausgerüstet, um zeitaufgelöste Pump-Probe Versuche an magnetischen Halbleitern innerhalb eines Kryostaten durchführen zu können.
Der Aufbau bietet die Möglichkeit, etwa 130fs kurze Pulse mit der fundamentalen, durchstimmbaren Wellenlänge eines modengekoppelten Titan-Saphir Lasers entweder mit sich selbst oder aber mit frequenzverdoppelten bzw -verdreifachten Pulsen räumlich auf der Probe mit einer einstellbaren zeitlichen Verzögerung zu überlagern, um magnetooptische Messungen zeitaufgelöst durchführen zu können. Hauptbestandteil der Diplomarbeit war es, die für die Pump-Probe Messungen nötige Delaystrecke aufzubauen und durch ein selbst geschriebenes Computer-Programm zu steuern. Weiterhin wurden verschiedene optische Tische und Vorrichtungen konzipiert und zum Teil selber realisiert. In der Arbeitsgruppe existierte keine Expertise bezüglich des Pump-Probe Aufbaus.
Um die Funktion und Qualität des experimentellen Aufbaus beurteilen zu können, wurden Messungen bezüglich des räumlichen und zeitlichen Überlapps der Laserpulse durchgeführt. Am Pinhole wurde überprüft, ob Pump- und Probe-Pulse konstant auf einen Punkt zusammenfallen - unabhängig von der Position der Delaystrecke. Die zeitliche Überlagerung zweier Pulse wurde am BBO-Kristall untersucht. Im Falle von gleichfarbigen Pulsen wurde dazu die Erzeugung der zweiten Harmonischen als Autokorrelatorfunktion zweiter Ordnung ausgenutzt. Im Falle von zweifarbigen Pump- und Probe-Pulsen kann der BBO-Kristall über die photoneninduzierte Transmittivitätsänderung den zeitlichen Überlapp der beiden Pulse anzeigen.
Darüber hinaus wurden Pump-Probe Messungen an einer GaAs-Probe durchgeführt.
Es stand die Untersuchung von dynamischen Spin-Prozessen mittels lichtinduziertem magnetooptischem Kerr-Effekt im Vordergrund. Dazu wurde der Aufbau im einfarbigen Modus mit Photonenenergien um 1, 5 eV entsprechend der Bandlücke des Halbleiters betrieben.
Inhaltsverzeichnis
- Motivation und Ziele
- Theorie zum Licht
- Polarisation
- Reflexion und Transmission
- Spiegel
- Fokussierung
- Doppelbrechung
- X/4- und X/2-Platten
- Polarisatoren
- Nichtlineare optische Effekte
- Optisch induzierter magnetooptischer Kerr-Effekt
- Theorie zum Laser
- Grundprinzip
- Gepulste Laser
- Autokorrelation
- MOKE-magnetooptischer Kerr-Effekt
- Geometrien für MOKE-Messungen
- Detektion des Kerr-Signals
- Theorie zum EuS
- Vorhandener Aufbau und nötige Modifikationen
- Die Delaystrecke
- Aufbau
- Computergestützte Steuerung
- Messungen
- Leistungsspektrum
- Signalstabilität des Pumplaser Ti:Sa Systems
- Spurtreue der Delaystrecke
- SHG und induzierte Transmissionsänderung am BBO-Kristall
- Einfarbige GaAs-Pump-Probe Messungen
- Hysteresekurve von EuS
- Zusammenfassung und Ausblick
- Danksagung
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die Diplomarbeit fokussiert auf den Aufbau und die Charakterisierung einer computergesteuerten Delaystrecke für die Durchführung von zeitaufgelösten Pump-Probe Experimenten mit Femtosekundenlaserpulsen. Der Fokus liegt dabei auf der Untersuchung magnetooptischer Effekte in magnetischen Halbleitern.
- Aufbau einer Delaystrecke für Femtosekundenlaserpulse
- Magnetooptische Pump-Probe Messungen an magnetischen Halbleitern
- Untersuchung der Signalstabilität und Spurtreue des Laserpulses
- Zeitaufgelöste Charakterisierung von dynamischen Spin-Prozessen
- Überprüfung der Theorie zum Magnetismus von Europiumchalkogeniden
Zusammenfassung der Kapitel
- Motivation und Ziele: Der Aufbau einer Delaystrecke für Femtosekundenlaserpulse zur Durchführung von Pump-Probe Messungen an magnetischen Halbleitern wird erläutert. Die Ziele umfassen die Untersuchung von dynamischen Spin-Prozessen mittels lichtinduziertem magnetooptischem Kerr-Effekt sowie die Überprüfung der Theorie zum Magnetismus von Europiumchalkogeniden.
- Theorie zum Licht: Dieses Kapitel behandelt die grundlegenden Prinzipien der Polarisation, Reflexion, Transmission und nichtlinearer optischer Effekte im Zusammenhang mit dem Licht. Besondere Aufmerksamkeit wird dem magnetooptischen Kerr-Effekt geschenkt.
- Theorie zum Laser: Das Grundprinzip von Lasern, insbesondere gepulsten Lasern, wird erläutert. Die Autokorrelationsmethode zur Bestimmung der Pulslänge wird vorgestellt.
- MOKE-magnetooptischer Kerr-Effekt: Verschiedene Geometrien für magnetooptische Kerr-Messungen werden vorgestellt und die Detektion des Kerr-Signals wird erläutert.
- Theorie zum EuS: Das Europiumsulfid (EuS) als Beispiel für einen magnetischen Halbleiter wird hinsichtlich seiner physikalischen Eigenschaften und relevanten elektronischen Übergänge vorgestellt.
- Vorhandener Aufbau und nötige Modifikationen: Der bestehende Versuchsaufbau für die Erzeugung von Femtosekundenlaserpulsen wird beschrieben und die notwendigen Modifikationen für die Integration der Delaystrecke und die magnetooptischen Messungen werden aufgezeigt.
- Die Delaystrecke: Der Aufbau und die computergestützte Steuerung der Delaystrecke werden detailliert beschrieben.
- Messungen: Es werden Messungen zum Leistungsspektrum des Laserpulses, zur Signalstabilität des Ti:Sa Lasersystems, zur Spurtreue der Delaystrecke sowie zu SHG und induzierter Transmissionsänderung am BBO-Kristall vorgestellt.
Schlüsselwörter
Die Diplomarbeit behandelt die Themenbereiche Femtosekundenlaserpulse, Delaystrecke, magnetooptischer Kerr-Effekt, Pump-Probe Messungen, magnetische Halbleiter, Europiumsulfid (EuS), dynamische Spin-Prozesse, lichtinduzierte Transmissionsänderung, zeitaufgelöste Spektroskopie.
Häufig gestellte Fragen
Was war der Hauptbestandteil dieser Diplomarbeit?
Der Hauptbestandteil war der Aufbau einer computergesteuerten Delaystrecke für Femtosekundenlaserpulse und deren Steuerung durch ein selbst geschriebenes Programm.
Wofür werden Pump-Probe-Messungen eingesetzt?
Sie dienen zur Untersuchung zeitaufgelöster dynamischer Prozesse, in diesem Fall von Spin-Prozessen in magnetischen Halbleitern mittels des magnetooptischen Kerr-Effekts (MOKE).
Welches Material wurde als Probe untersucht?
Es wurden Messungen an einer GaAs-Probe (Galliumarsenid) durchgeführt sowie die Hysteresekurve von EuS (Europiumsulfid) betrachtet.
Wie wurde die zeitliche Überlagerung der Pulse überprüft?
Die zeitliche Überlagerung wurde an einem BBO-Kristall untersucht, wobei bei gleichfarbigen Pulsen die Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG) als Autokorrelatorfunktion genutzt wurde.
Welche Lasertechnologie kam zum Einsatz?
Es wurde ein modengekoppelter Titan-Saphir-Laser (Ti:Sa) verwendet, der Pulse im Bereich von ca. 130 Femtosekunden erzeugt.
- Quote paper
- Timo Damm (Author), 2004, Aufbau einer Delaystrecke für Femtosekundenlaserpulse und erste Pump-Probe-Messungen., Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/36087
